希格斯玻色子

希格斯玻色子標(biāo)準(zhǔn)模型里的一種基本粒子01粒子介紹理論上帝粒子理論發(fā)展史實(shí)驗(yàn)探索精確測(cè)量目錄0305020406基本信息希格斯玻色子（英語：Higgsboson）是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的一種自旋為零的玻色子（有異議），不帶電荷、色荷，極不穩(wěn)定，生成后會(huì)立刻衰變。1964年，英國(guó)科學(xué)家彼得·希格斯提出了希格斯場(chǎng)的存在，并進(jìn)而預(yù)言了希格斯玻色子的存在。而在希格斯機(jī)制中，希格斯場(chǎng)引起自發(fā)對(duì)稱性破缺，并將質(zhì)量予規(guī)范傳播子和費(fèi)米子。希格斯粒子是希格斯場(chǎng)的場(chǎng)量子化激發(fā)，它通過自相互作用而獲得質(zhì)量。根據(jù)希格斯機(jī)制，基本粒子因與希格斯場(chǎng)耦合而獲得質(zhì)量。假若希格斯玻色子被證實(shí)存在，則希格斯場(chǎng)應(yīng)該也存在，而希格斯機(jī)制也可被確認(rèn)為基本無誤。希格斯玻色子已被證實(shí)存在。2022年10月，希格斯玻色子的質(zhì)量分布測(cè)量結(jié)果為：3.2兆電子伏特。粒子介紹粒子介紹綜述本篇文章將希格斯玻色子簡(jiǎn)稱為“希子”。

標(biāo)準(zhǔn)模型在粒子物理學(xué)里，標(biāo)準(zhǔn)模型是一種被廣泛接受的框架，可以描述強(qiáng)力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子。除了引力以外，標(biāo)準(zhǔn)模型可以合理解釋這世界中的大多數(shù)物理現(xiàn)象。早期的標(biāo)準(zhǔn)模型所倚賴的規(guī)范場(chǎng)論闡明，基本力是源自于規(guī)范不變性，是由規(guī)范玻色子來傳遞。規(guī)范場(chǎng)論嚴(yán)格規(guī)定，規(guī)范玻色子必須不帶有質(zhì)量，因此，傳遞電磁相互作用的規(guī)范玻色子（光子）不帶有質(zhì)量。光子的質(zhì)量的確經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)為零。借此類推，傳遞弱相互作用的規(guī)范玻色子（W玻色子、Z玻色子）應(yīng)該不帶有質(zhì)量，可是實(shí)驗(yàn)證實(shí)W玻色子與Z玻色子的質(zhì)量不為零，這顯示出早期模型不夠完善，因此須要建立特別機(jī)制來賦予W玻色子、Z玻色子它們所帶有的質(zhì)量。希格斯機(jī)制的場(chǎng)能效希格斯玻色子最早在1964年由彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒等在內(nèi)的6位物理學(xué)家提出。希格斯玻色子能夠利用自發(fā)對(duì)稱性破缺來賦予基本粒子質(zhì)量，同時(shí)又不會(huì)抵觸到規(guī)范場(chǎng)論。理論發(fā)展史理論發(fā)展史自1899年英國(guó)物理學(xué)家湯姆遜爵士發(fā)現(xiàn)電子開始，時(shí)至今日，在一個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間里，人類一直孜孜不倦地探索著微觀世界的奧秘。物理學(xué)者認(rèn)為物質(zhì)是由基本粒子組成，這些基本粒子彼此之間相互影響的基本力有四種。根據(jù)規(guī)范場(chǎng)論，為了滿足定域規(guī)范對(duì)稱性，必須引入傳遞基本力的規(guī)范玻色子。特別而言，傳遞電磁力的規(guī)范玻色子就是光子。怎樣才能夠使得傳遞短程力的規(guī)范玻色子獲得質(zhì)量？物理學(xué)者在凝聚態(tài)物理學(xué)的超導(dǎo)理論里找到重要暗示。1950年，蘇聯(lián)物理學(xué)者維塔利·金茲堡與列夫·郎道提出金茲堡-朗道理論，他們建議，在超導(dǎo)體里，彌漫著一種特別的場(chǎng)，能夠使得光子獲得有效質(zhì)量，但他們并沒有明確地描述這特別場(chǎng)。1954年，楊振寧與羅伯特·米爾斯試圖將這關(guān)于電磁力的點(diǎn)子延伸至其他種基本力，他們提出了楊-米爾斯理論，但是規(guī)范場(chǎng)論預(yù)測(cè)規(guī)范玻色子的質(zhì)量必須為零，而零質(zhì)量玻色子傳遞的是類似電磁力的長(zhǎng)程力，不適用于像弱核力或強(qiáng)核力一類的短程力。1957年，約翰·巴丁、利昂·庫(kù)珀、約翰·施里弗共同創(chuàng)建了BCS理論，他們認(rèn)為，由電子組成的庫(kù)珀對(duì)，形成了這特別場(chǎng)。規(guī)范對(duì)稱性被這特別場(chǎng)隱藏起來，因此造成自發(fā)對(duì)稱性破缺──雖然對(duì)稱性仍舊存在于描述這物理系統(tǒng)的方程，但是方程的某種解并不具有這對(duì)稱性。理論希子性質(zhì)希子制備希子衰變另類模型理論希子性質(zhì)稍微復(fù)雜一點(diǎn)，但更實(shí)際一點(diǎn)，在最小標(biāo)準(zhǔn)模型（minimalstandardmodel）里，希格斯場(chǎng)是復(fù)值二重態(tài)，是由兩個(gè)復(fù)值標(biāo)量場(chǎng)，或四個(gè)實(shí)值標(biāo)量場(chǎng)組成，其中，兩個(gè)帶有電荷，兩個(gè)是中性。在這模型里，還有四個(gè)零質(zhì)量規(guī)范玻色子，都是橫場(chǎng)，如同光子一樣，具有兩個(gè)自由度?？偤掀饋?，一共有十二個(gè)自由度。自發(fā)對(duì)稱性破缺之后，一共有三個(gè)規(guī)范玻色子會(huì)獲得質(zhì)量、同時(shí)各自添加一個(gè)縱場(chǎng)，總共有九個(gè)自由度，另外還有一個(gè)具有兩個(gè)自由度的零質(zhì)量規(guī)范玻色子，剩下的一個(gè)自由度是帶質(zhì)量的希子。三個(gè)帶質(zhì)量規(guī)范玻色子分別是W、W和Z玻色子。零質(zhì)量規(guī)范玻色子是光子。由于希格斯場(chǎng)是標(biāo)量場(chǎng)（不會(huì)因洛倫茲變換而改變），希子不具有自旋。希子不帶電荷，是自己的反粒子，具有CP-偶性。標(biāo)準(zhǔn)模型并沒有預(yù)測(cè)希子的質(zhì)量。假若質(zhì)量在115和180GeV之間，則能量尺度直到普朗克尺度（10GeV）上限，標(biāo)準(zhǔn)模型都有效?；跇?biāo)準(zhǔn)模型的一些不令人滿意的性質(zhì)，許多理論學(xué)者認(rèn)為后標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理會(huì)出現(xiàn)于TeV能量尺度。希子（或其他的電弱對(duì)稱性破缺機(jī)制）能夠具有的質(zhì)量的尺度上限是1.4TeV；超過此上限，標(biāo)準(zhǔn)模型變得不相容，因?yàn)閷?duì)于某些散射過程違反了幺正性。現(xiàn)今，學(xué)術(shù)界有超過一百種不同關(guān)于希格斯質(zhì)量的理論預(yù)測(cè)。理論而言，希子的質(zhì)量或許可以間接估計(jì)。在標(biāo)準(zhǔn)模型里，希子會(huì)造成一些間接效應(yīng)。最值得注意的是，希格斯回路會(huì)造成W玻色子質(zhì)量和Z玻色子質(zhì)量的小額度修正。通過整體擬合從各個(gè)對(duì)撞機(jī)獲得的精密電弱數(shù)據(jù)。希子可能會(huì)與前面提到的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子相互作用，但也可能會(huì)與詭秘的大質(zhì)量弱相互作用粒子相互作用，形成暗物質(zhì)，這在近期天文物理學(xué)研究領(lǐng)域里，是很重要的論題。希子制備粒子對(duì)撞機(jī)嘗試通過碰撞兩束高能量粒子的方式來制備希子。實(shí)際物理反應(yīng)依使用的粒子與碰撞能量而定。最常發(fā)生的反應(yīng)為希子衰變標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)測(cè)的希子衰變寬度與質(zhì)量有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)測(cè)的希子的幾種不同衰變模式的分支比與質(zhì)量有關(guān)。在量子力學(xué)里，假若粒子有可能衰變成一組質(zhì)量較輕的粒子，則這粒子必會(huì)如此衰變。衰變發(fā)生的概率與幾種因素有關(guān)：質(zhì)量差值、耦合強(qiáng)度等等。標(biāo)準(zhǔn)模型已將大多數(shù)這些因素設(shè)定，希子質(zhì)量是一個(gè)例外。假設(shè)希子質(zhì)量為126GeV，則標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)平均壽命（meanlifetime）大約為1.56x10?22秒。由于希子會(huì)與每一種“已知”帶質(zhì)量基本粒子相互作用，希子有很多種不同的衰變道。每種衰變道都有其發(fā)生的概率，稱為分支比（branchingratio），定義為這種衰變道發(fā)生的次數(shù)除以總次數(shù)。展示出，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的幾種不同衰變模式的分支比與質(zhì)量之間的關(guān)系。在這幾種希子衰變道之中，有一種衰變道是分裂為費(fèi)米子反費(fèi)米子對(duì)。對(duì)于希子衰變，產(chǎn)物質(zhì)量越大，則耦合強(qiáng)度越大（呈線性或平方關(guān)系）。因此，希子比較可能衰變?yōu)檩^重的費(fèi)米子，希子應(yīng)該最常衰變?yōu)轫斂淇朔错斂淇藢?duì)。但是，這種衰變必須遵守運(yùn)動(dòng)學(xué)約束，即希子質(zhì)量必須大于346GeV，頂夸克質(zhì)量的兩倍。假設(shè)希子質(zhì)量為126GeV，則標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)最常發(fā)生的衰變?yōu)榈卓淇朔吹卓淇藢?duì)，概率為56.1%。第二常發(fā)生的衰變是τ子反τ子對(duì)，概率為6%。希子也有可能分裂為一對(duì)帶質(zhì)量規(guī)范玻色子。另類模型所有應(yīng)用希格斯機(jī)制來解釋質(zhì)量問題的模型中，最小標(biāo)準(zhǔn)模型只設(shè)定了一個(gè)復(fù)值二重態(tài)希格斯場(chǎng)，是最簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)模型。其它模型的希格斯場(chǎng)可能會(huì)被延伸成具有更多二重態(tài)或三重態(tài)。雙希格斯二重態(tài)模型（two-Higgs-doubletmodels,2HDM）設(shè)定了兩個(gè)復(fù)值二重態(tài)希格斯場(chǎng)，是在所有其它種模型中比較受到認(rèn)可的模型，主要原因?yàn)殡p希格斯二重態(tài)模型預(yù)言五重態(tài)標(biāo)量粒子的存在：兩個(gè)CP-偶性的中性希子h、H，一個(gè)CP-奇性的中性希子A，和兩個(gè)帶電荷希子H、H。不同版本的2HDM與最小標(biāo)準(zhǔn)模型的分辨方法主要建立于它們的耦合常數(shù)與希格斯衰變的分支比都不相同。在模型I里，一個(gè)二重態(tài)能與所有種類的夸克耦合，另一個(gè)二重態(tài)則不能與任何夸克耦合。在模型II里，一個(gè)二重態(tài)能與上型夸克（up-typequark）耦合，另一個(gè)二重態(tài)則與下型夸克（down-typequark）耦合。超對(duì)稱模型（SUSY）是標(biāo)準(zhǔn)模型的一種延伸，屬于2HDM模型II。在超對(duì)稱模型中，最小超對(duì)稱模型（MSSM）的希格斯機(jī)制產(chǎn)生的希子數(shù)量最少。在最小標(biāo)準(zhǔn)模型里，希子質(zhì)量基本而言是一個(gè)自由參數(shù)，只要小于TeV能量尺度就行。在MSSM里，最輕的CP-偶性的中性希子h的質(zhì)量上限大約為110-135GeV。假若希子質(zhì)量在125GeV左右，則MSSM的模型參數(shù)會(huì)被強(qiáng)列約束。在藝彩理論（technicolortheory）里，兩個(gè)強(qiáng)烈束縛的費(fèi)米子所形成的粒子對(duì)扮演了希格斯場(chǎng)的角色。頂夸克凝聚理論（topquarkcondensatetheory）提出希格斯場(chǎng)被頂夸克與反頂夸克共同組成的復(fù)合場(chǎng)替代的概念。實(shí)驗(yàn)探索實(shí)驗(yàn)探索為了要制成希子，在粒子對(duì)撞機(jī)里，兩道粒子束被加速到非常高能量，然后在粒子探測(cè)器里相互碰撞，有時(shí)候，異乎尋常地，會(huì)因此生成產(chǎn)物希子。但是希子會(huì)在生成后會(huì)在非常短暫時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變，無法直接被探測(cè)到，探測(cè)器只能記錄其所有衰變產(chǎn)物（“衰變特征”），從這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，重建衰變過程，假若符合希子的某種衰變道，則歸類為希子可能被生成事件。實(shí)際而言，很多種過程都會(huì)出現(xiàn)類似的衰變特征。很慶幸地是，標(biāo)準(zhǔn)模型精確地預(yù)言所有可能衰變模式與對(duì)應(yīng)的或然率，假若探測(cè)到更多能夠匹配希子衰變特征的事件，而不是更多不同于希子衰變特征的事件，則這應(yīng)該是希子存在的強(qiáng)烈證據(jù)。在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)里，由于粒子碰撞生成希子的事件概率非常稀有，大約為百億分之一，很多其它種碰撞事件具有類似的衰變特征，物理學(xué)者必須搜集與分析幾百萬億個(gè)碰撞事件，只有顯示出與希子相同衰變特征的事件才可被視為是可能的希子衰變事件。在確認(rèn)發(fā)現(xiàn)新粒子之前，兩個(gè)獨(dú)立的粒子探測(cè)器（ATLAS與CMS）所觀測(cè)到的衰變特征出自于背景隨機(jī)標(biāo)準(zhǔn)模型的事件概率，都必須低于百萬分之一，也就是說，觀測(cè)到的事件數(shù)量比沒有新粒子的事件數(shù)量，兩者之間相異的程度為5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。更多碰撞數(shù)據(jù)能夠讓物理學(xué)者更為正確地辨認(rèn)新粒子的物理性質(zhì)，從而決定新粒子是否為標(biāo)準(zhǔn)模型所描述的希子，還是其它種假想粒子。低能量實(shí)驗(yàn)設(shè)施可能無法找到希子，必須建造一座高能量粒子對(duì)撞機(jī)，這對(duì)撞機(jī)還需要具有高亮度來確保搜集到足夠的碰撞數(shù)據(jù)。另外，還需要高功能電腦設(shè)施來有序處理大量碰撞數(shù)據(jù)（大約25petabyte每年）。上帝粒子上帝粒子美國(guó)物理學(xué)家、1988年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者利昂·萊德曼曾著有粒子物理方面的科普書籍《上帝粒子：如果宇宙是答案，那么問題是什么？》，后來媒體也沿用了這一稱呼，常常將希子稱作是“上帝粒子”（TheGodParticle）。這一稱呼激起了公眾媒體對(duì)于希子的**和興趣。萊德曼說他以“上帝粒子”為這粒子命名是因?yàn)檫@粒子“在當(dāng)今物理學(xué)中處于極為中心的位置，對(duì)我們理解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)極為關(guān)鍵、也極為難以捉摸”。不過他也開玩笑地補(bǔ)充說另一個(gè)原因是“圖書出版商不讓他把這粒子稱作‘該死的粒子（GoddamnParticle）’，盡管這別稱可能更恰當(dāng)?shù)乇磉_(dá)了希子杳無蹤跡的性質(zhì)以及人們?yōu)橹冻龅拇鷥r(jià)與遭受到的挫折感。”然而，許多科學(xué)家卻不喜歡這一稱呼，因?yàn)樗^分強(qiáng)調(diào)了這粒子的重要性和太宗教化。而且即使這粒子被發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)者仍舊無法回答一些關(guān)于強(qiáng)相互作用、電弱相互作用、引力相互