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上帝之謎：Higgs波色子物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院 10級逸仙班李焜陽 學(xué)號10329043韋玉明 學(xué)號：10329006摘要：本文簡述了弱電統(tǒng)一理論的標(biāo)準(zhǔn)模型和Higgs玻色子的基本性質(zhì)，介紹了Higgs玻色子的探測及探測設(shè)備ATLAS和CMS，還涉及到超對稱模型。關(guān)鍵字：Higgs波色子、弱電統(tǒng)一理論、ATLAS、CMS、超對稱模型引言1964年，英國科學(xué)家皮特希格斯基于Yang-Mill理論引入了自旋為零的粒子，使得規(guī)范場粒子在Higgs機制下?lián)碛匈|(zhì)量，從理論上解決了Yang-Mill理論的缺陷。后來，格拉肖、溫伯格和薩拉姆在SU(2)LU(1)規(guī)范理論中引入Higgs機制，從而構(gòu)成了今天的弱電統(tǒng)一理論。弱電統(tǒng)一理論的建立是20世紀(jì)粒子物理的重要成果，它經(jīng)受住了廣泛的實驗檢驗，直到目前也沒有直接的實驗表明這個理論是錯誤的。然而，作為這個理論的核心之一的Higgs波色子卻一直仍未發(fā)現(xiàn)。根據(jù)粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，粒子物理由62種基本粒子組成，在此前長達(dá)近半個世紀(jì)的探索中，人們已經(jīng)找到61中基本粒子，但是Higgs粒子卻很難在實驗上發(fā)現(xiàn)。值得慶幸的是，今年7月4號，CERN發(fā)現(xiàn)了新的疑似Higgs粒子的亞原子粒子，這無疑給奮斗在粒子物理研究前沿的物理學(xué)家一劑強心劑。上帝粒子或?qū)⒄业?，?biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖也將完成。弱電統(tǒng)一理論的標(biāo)準(zhǔn)模型1958年美國物理學(xué)家費恩曼和蓋爾曼提出矢量流減軸矢量流理論。根據(jù)該理論，蓋爾曼預(yù)言：類似于電磁相互作用中的磁性，弱相互作用中也應(yīng)有弱“磁”性。1963年吳健雄從實驗上證實了蓋爾曼的預(yù)言，表明了該理論取得一定的成功。只需要一個耦合常數(shù)就可表征弱相互作用的各種過程，該理論也稱為普適弱相互作用理論。后來，格拉肖、溫伯格和薩拉姆在普適弱相互作用理論的基礎(chǔ)上，洞察到了弱作用和電磁作用內(nèi)在實質(zhì)的同一性，根據(jù)Yang-Mill理論，先后提出弱作用和電磁作用具有統(tǒng)一性的思想，建立弱電統(tǒng)一理論。電磁作用是宇稱守恒的，對應(yīng)一維幺正對稱群U(1)，弱作用是宇稱不守恒的，對應(yīng)二維幺模幺正對稱群SU(2)。為了將兩者統(tǒng)一起來，需要在SU(2)LU(1)群上描述弱電統(tǒng)一理論。SU(2)LU(1)群有四個生成元，3個是SU(2)的，1個是U(1)的。這4個元對應(yīng)于輕子所帶有的4種弱荷及其生成的4種基本規(guī)范場、。4種基本規(guī)范場是傳遞物質(zhì)場及其相應(yīng)粒子相互作用的矢量場，它們使物質(zhì)場（自旋為1/2的輕子和夸克對應(yīng)的旋量場）和標(biāo)量場（相應(yīng)粒子的自旋量子數(shù)為0）的運動規(guī)律在SU(2)LU(1)定域規(guī)范變換下保持不變。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，Higgs標(biāo)量場遍布整個自然界，4種基本規(guī)范場在與Higgs場的作用下兩兩重新組合。和組合成兩種帶電的中間矢量玻色子場和，它們和帶電粒子構(gòu)成弱帶電流相耦合；和組合成電磁場和中性中間矢量玻色子場，它們和弱帶電流以及由中性粒子構(gòu)成的弱中性流相耦合。標(biāo)準(zhǔn)模型將弱作用和電磁作用統(tǒng)一起來，這些力是通過力粒子作為媒介傳播的，對電磁力來說是光子，對弱作用力來說是W和Z玻色子。Higgs玻色子的提出在Yang-Mill理論中，傳遞相互作用的是無質(zhì)量的規(guī)范粒子。然而實驗表明，傳遞弱作用的規(guī)范粒子（弱中間玻色子）應(yīng)當(dāng)具有較大質(zhì)量，傳遞電磁作用的規(guī)范粒子（光子）應(yīng)當(dāng)是無質(zhì)量的。這就要求存在能實現(xiàn)對稱性自發(fā)破缺的理論滿足實際的物理條件。1964年，英國物理學(xué)家Higgs在量子場論中引入真空對稱性自發(fā)破缺的概念：Higgs場的場量為零時其能量不是最?。粓隽咳∧骋徊粸榱愕牧繒r場能最小。在一切場的總能量都達(dá)到最小的物理真空態(tài)上，Higgs場的場量真空期望值在某個方向上不為零，物理真空偏離了一切場的場量為零的狀態(tài)，從而不再具有SU(2)LU(1)定域規(guī)范變換下的不變性，稱為真空對稱性自發(fā)破缺。Higgs場的場量子是自旋量子數(shù)為零的標(biāo)量粒子，其中具有靜質(zhì)量的粒子稱為Higgs粒子；沒有靜止質(zhì)量的粒子稱為高德斯通粒子。傳遞弱相互作用的中間玻色子W和Z在真空對稱性自發(fā)破缺下與Higgs場發(fā)生相互作用。Higgs場的高德斯通粒子的波函數(shù)則轉(zhuǎn)換成弱場和的縱向分量，相當(dāng)于W和Z吸收了高德斯通粒子及其運動質(zhì)量，從而獲得很大的靜質(zhì)量。而電磁作用對應(yīng)的U(1)規(guī)范對稱性沒有真空自發(fā)破缺現(xiàn)象，不存在與之相互作用的Higgs場，因而電磁場的量子即光子無從獲得靜質(zhì)量。Higgs粒子使得弱電統(tǒng)一理論得以自洽，并且經(jīng)受住各種實驗的檢驗。然而，對自然界是否真的有所謂的Higgs粒子，許多物理學(xué)家仍舊抱著審慎的態(tài)度。也有一些物理學(xué)家提出一些新的理論如五彩（technicolor）夸克模型和超對稱理論，但這些理論都沒能超越Higgs機制。因此，半個多世紀(jì)以來，物理學(xué)家們一直在苦苦找尋著Higgs粒子，試圖揭開上帝的面紗。Higgs波色子的探測2012年7月4日，歐洲核子研究中心宣布LHC的緊湊子線圈（CMS）探測到質(zhì)量為125.30.6GeV的新粒子（超過背景期望值4.9個標(biāo)準(zhǔn)差），超導(dǎo)環(huán)場探測器(ATLAS)測量到質(zhì)量為126.5GeV的新粒子（5個標(biāo)準(zhǔn)差）。這兩個粒子與Higgs玻色子性質(zhì)相符。在7月底有望看到完整的計算結(jié)果和最終論文，年底LHC的數(shù)據(jù)量將增大一倍，相信可進(jìn)行確認(rèn)。另外，歐洲核子中心將從2013年起把對撞機能量從8TeV提高到14TeV，進(jìn)行下一步實驗。Higgs波色子不能穩(wěn)定存在，在碰撞后10億分之一秒的時間內(nèi)衰變，并且可以衰變成很多很多種粒子。在恰當(dāng)通道中，通過探測到的粒子的能量和動量，重建出這個事例的不變質(zhì)量。假如不存在希格斯粒子，把探測器看到的每個事例的不變質(zhì)量畫出來，就是一條光滑的線。如果存在希格斯粒子，由它衰變而來的粒子在希格斯的質(zhì)量附近就存在共振峰，原來光滑的曲線上就會出現(xiàn)一個小鼓包，鼓包的峰值就是希格斯的質(zhì)量。目前認(rèn)為有五個通道（即5種衰變模式）有可能看出鼓包來。其中H（雙光子）和HZZllll（四輕子）最佳，另兩個本底很大，關(guān)鍵在于HWWll，但中微子看不見。 2011年公布的分析結(jié)果中，和ZZ看到了鼓包存在的跡象，但WW沒看到，若此情況繼續(xù)，就表示，找到了一個性質(zhì)與預(yù)期的不太一樣的新粒子，這也許不是Higgs波色子，也許存在新物理。 這次的結(jié)果，據(jù)稱在最后一段時間才終于找到了WW道的信號，兩組的信號顯著度都在5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差左右，說明“與Higgs波色子相符”。不過，由于還沒有仔細(xì)研究這個新粒子的性質(zhì)，還不能完全斷定它的性質(zhì)與希格斯教授預(yù)言的一樣，出于謹(jǐn)慎，目前沒有直接說發(fā)現(xiàn)了Higgs波色子，而是說：發(fā)現(xiàn)了一個新粒子，其性質(zhì)與Higgs波色子相符。超導(dǎo)環(huán)場探測器（ATLAS）下面兩節(jié)簡述一下ATLAS和CMS探測器。超導(dǎo)環(huán)場探測器（A Toroidal LHC ApparatuS, ATLAS），或稱超環(huán)面儀器，是歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞器（LHC）所配備的七大實驗偵測器之一。2008年9月10日偵測到第一個粒子束事件。此實驗是專門為觀測涉及高質(zhì)量粒子的現(xiàn)象而精心設(shè)計建造；使用先前較低能量的粒子加速器無法觀測到這些現(xiàn)象。此實驗也可能為在標(biāo)準(zhǔn)模型之后的新理論找到一些線索。 ATLAS探測器是由以相互作用點為中心的一系列同中心軸圓柱殼型設(shè)備和其兩端的圓盤型設(shè)備所組成，主要分為四個部分：內(nèi)部探測器、量能器、子譜儀和磁鐵系統(tǒng)。其中每一個部分又細(xì)分為好幾層。各個探測器的功能相互補充 ：內(nèi)部探測器精確地確定粒子的軌跡，量能器測量那些被截止粒子的能量，子系統(tǒng)則提供高度穿透性子的額外測量數(shù)據(jù)。磁鐵系統(tǒng)所產(chǎn)生的磁場促使帶電粒子在移動于內(nèi)部探測器時發(fā)生偏轉(zhuǎn)，子譜儀可以從偏轉(zhuǎn)的曲率測得這些粒子的動量。中微子是唯一不能直接被探測到的已知穩(wěn)定粒子；從仔細(xì)分析被探測到的粒子的動量不平衡現(xiàn)象，可以推斷出中微子的存在。為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，探測器必須是密封探測器（hermetic detector），并必須探測到所有除了中微子以外的粒子，避免存在有任何探測盲點。保持探測器在質(zhì)子束附近的高輻射區(qū)具有良好性能。圖一 電腦繪制的ATLAS探測器剖視圖展示出內(nèi)部各種設(shè)備(圖片來源：維基共享資源)子譜儀：（1）受監(jiān)控漂移管 （2）薄隙室磁鐵系統(tǒng)：（3）端冒環(huán)狀磁鐵 （4）外筒層環(huán)狀磁鐵內(nèi)部探測器：（5）躍遷輻射跟蹤器 （6）半導(dǎo)體跟蹤器 （7）像素探測器量能器：（8）電磁量能器 （9）強子量能器 緊湊子線圈(CMS)緊湊子線圈（CMS，Compact Muon Solenoid），CERN的大型強子對撞機計劃的七大通用型粒子偵測器中的另一個。CMS 建在法國的Cessy的地下洞穴中，剛好跨過瑞士日內(nèi)瓦的邊境。 CMS 是設(shè)計成一個通用型的偵測器，用來研究LHC加速器所提供的 14 TeV 質(zhì)心能量下質(zhì)子對撞的物理。其子偵測器包含了用來量測在對撞后所產(chǎn)生的光子, 電子, 子等粒子的能量與動量的設(shè)備。位于最內(nèi)層的偵測器為由硅芯片所構(gòu)成的軌跡追跡系統(tǒng)。環(huán)繞其外的則是由閃爍體所構(gòu)成，用來量測能量的電磁量能器(electromagnetic calorimeter)，與之外三明治結(jié)構(gòu)的強子取樣量能器(sampling calorimeter)。由于追跡系統(tǒng)與量能器的緊湊型設(shè)計，CMS 用來產(chǎn)生 4 T(特斯拉)的強力磁場線圈可以將上述兩偵測器包覆于其中。于線圈外的則是大型的子偵測器，同時包夾于構(gòu)成磁場線封閉循環(huán)的鐵芯(return york)之中。如此構(gòu)成全稱：緊湊子線圈。 圖二 CMS 偵測器的結(jié)構(gòu)（圖片來源：維基共享資源）其中位于筒狀結(jié)構(gòu)的下方，有一般成人的高度可作為比例尺。（HCAL=強子量能器，ECAL=電磁量能器）超對稱模型超對稱模型是標(biāo)準(zhǔn)模型的重要挑戰(zhàn)者之一，假若本次結(jié)果最終被確認(rèn)，對標(biāo)準(zhǔn)模型而言將是福音。但新粒子也可能是其他理論模型里面的粒子。比如，在最小超對稱模型中預(yù)言有5種希格斯玻色子，其中最輕的那個希格斯粒子與標(biāo)準(zhǔn)模型中的希格斯粒子很接近。若果后續(xù)研究證實是后者，情況將大有不同。 在超對稱理論中每一種基本粒子都有一種超對稱伙伴粒子與之匹配， 超對稱伙伴的自旋與原粒子相差 1/2 (也就是說玻色子的超對稱伙伴是費米子， 費米子的超對稱伙伴是玻色子)， 兩者質(zhì)量相同，各種耦合常數(shù)間也有著十分明確的關(guān)聯(lián)。 超對稱使得玻色子與費米子在物理性質(zhì)上的互補，在一個超對稱理論中，這種互補性可以被巧妙地用來解決高能物理中的一些極為棘手的問題，比如標(biāo)準(zhǔn)模型中著名的等級問題。此外，強、電磁及弱相互作用的耦合常數(shù)在基本模型框架內(nèi)總不相等，與大統(tǒng)一理論的要求不相容。但計算表明，在對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行超對稱化后所有這些耦合常數(shù)在高能下非常漂亮地匯聚到了一起。這也讓許多信奉大統(tǒng)一理論的物理學(xué)家對其充滿期待?？上С瑢ΨQ自提出至今已近40年，在實驗上卻始終未能觀測到任何一種已知粒子的超對稱伙伴，甚至于連確鑿的間接證據(jù)也沒能找到。若希格斯粒子被確認(rèn)，而超對稱遲遲未被發(fā)現(xiàn)，弦論也只能逐漸降溫。 參考文獻(xiàn)1吳濟(jì)民，希格斯（Higgs）粒子J,物理，1989(12)，719-725頁2魏安賜，弱電統(tǒng)一理論的標(biāo)準(zhǔn)模型J，現(xiàn)代物理知識，2003（06），6-8頁3張會，Higgs機制的歷史發(fā)展研究J，湖南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1995（01）4劉金海，規(guī)范對稱性與弱電統(tǒng)一理論J，湖南師范大學(xué)學(xué)報，1981（03）5曹俊希格斯花絮J/blog-296183-58892