[科普中国]-希格斯机制

在标准模型里，希格斯机制（英语：Higgs mechanism）是一种生成质量的机制，能够使基本粒子获得质量。为什么费米子、W玻色子、Z玻色子具有质量，而光子、胶子的质量为零？希格斯机制可以解释这问题。希格斯机制应用自发对称性破缺来赋予规范玻色子质量。在所有可以赋予规范玻色子质量，而同时又遵守规范理论的可能机制中，这是最简单的机制。根据希格斯机制，希格斯场遍布于宇宙，有些基本粒子因为与希格斯场之间相互作用而获得质量。

更仔细地解释，在规范场论里，为了满足定域规范不变性，必须设定规范玻色子的质量为零。由于希格斯场的真空期望值不等于零，造成自发对称性破缺，因此规范玻色子会获得质量，同时生成一种零质量玻色子，称为戈德斯通玻色子，而希格斯玻色子则是伴随着希格斯场的粒子，是希格斯场的振动。通过选择适当的规范，戈德斯通玻色子会被抵销，只存留带质量希格斯玻色子与带质量规范矢量场。

费米子也是因为与希格斯场相互作用而获得质量，但它们获得质量的方式不同于W玻色子、Z玻色子的方式。在规范场论里，为了满足定域规范不变性，必须设定费米子的质量为零。通过汤川耦合，费米子也可以因为自发对称性破缺而获得质量。

本条目的数学表述内容需要读者了解一些量子场论的知识。所有方程都遵守爱因斯坦求合约定。按照粒子物理学惯例，采用CGS单位制为物理量的单位，并且设定光速与约化普朗克常数的数值为 。1

1964年，分别有三组研究小组几乎同时地独立研究出希格斯机制，其中，一组为弗朗索瓦·恩格勒和罗伯特·布绕特，另一组为彼得·希格斯，第三组为杰拉德·古拉尼、卡尔·哈庚和汤姆·基博尔。古拉尼于1965年、希格斯于1966年又各自更进一步发表论文探讨这模型的性质。这些论文表明，假若将规范不变性理论与自发对称性破缺的概念以某种特别方式连结在一起，则规范玻色子必然会获得质量。1967年，史蒂文·温伯格与阿卜杜勒·萨拉姆首先应用希格斯机制来打破电弱对称性，并且表述希格斯机制怎样能够并入稍后成为标准模型一部分的谢尔登·格拉肖的电弱理论。

六位物理学者分别发表的三篇论文，在《物理评论快报》50周年庆祝文献里被公认为里程碑论文。2010年，他们又荣获理论粒子物理学樱井奖。

因为“次原子粒子质量的生成机制理论，促进了人类对这方面的理解，并且最近由欧洲核子研究组织属下大型强子对撞机的超环面仪器及紧凑μ子线圈探测器发现的基本粒子证实”，恩格勒、希格斯荣获2013年诺贝尔物理学奖。2

U(1)希格斯机制是一种很简单的赋予质量的机制，适用于U(1)规范场论。U(1)规范场论的规范变换涉及到相位变换： ；其中， 是复值希格斯场， 是相位。这种变换是U(1)变换，所涉及的是阿贝尔群，因此是一种“阿贝尔希格斯机制”。

假定遍布于宇宙的希格斯场是由两个实函数 、 组成的复值标量场 ：

其中， 是四维坐标。

对于这自旋为零、质量为 、势能为 的标量场，克莱因-戈尔登拉格朗日量为

暂时假设质量项目不存在，则克莱因-戈尔登拉格朗日量的形式变为

其中，是四维导数算子。

这是个波动方程，可以用来描述电磁波处于位势的物理行为。从这方程，似乎找不到任何质量的蛛丝马迹，但是假若将势能泰勒展开于：

注意到、、都是常数。在这展开式里，可以隐约地观察到质量项目的形式。3

量子力学的真空与一般认知的真空不同。在量子力学里，真空并不是全无一物的空间，虚粒子会持续地随机生成或湮灭于空间的任意位置，这会造成奥妙的量子效应。将这些量子效应纳入考量之后，空间的最低能量态，是在所有能量态之中，能量最低的能量态，又称为基态或“真空态”。最低能量态的空间才是量子力学的真空。

设想某种对称群变换，只能将最低能量态变换为自己，则称最低能量态对于这种变换具有“不变性”，即最低能量态具有这种对称性。尽管一个物理系统的拉格朗日量对于某种对称群变换具有不变性，并不意味着它的最低能量态对于这种对称群变换也具有不变性。假若拉格朗日量与最低能量态都具有同样的不变性，则称这物理系统对于这种变换具有“外显的对称性”；假若只有拉格朗日量具有不变性，而最低能量态不具有不变性，则称这物理系统的对称性被自发打破，或者称这物理系统的对称性被隐藏，这现象称为“自发对称性破缺”。4

在标准模型里，SU(2)×U(1)希格斯机制是最简单的一种赋予质量的机制，适用于弱电相互作用的SU(2)×U(1)规范场论。采用这种机制的标准模型称为最小标准模型（minimal standard model）。在这模型里，希格斯场是复值二重态：

其中，都是实函数。

这种希格斯场是由两个复值标量场，或四个实值标量场组成，其中，两个带有电荷，两个是中性。在这模型里，还有四个零质量规范玻色子，都是横场，如同光子一样，具有两个自由度。总合起来，一共有十二个自由度。自发对称性破缺之后，一共有三个规范玻色子会获得质量、同时各自添加一个纵场，总共有九个自由度，另外还有一个具有两个自由度的零质量规范玻色子，剩下的一个自由度是带质量的希格斯玻色子。三个带质量规范玻色子分别是W、W和Z玻色子。零质量规范玻色子是光子。

在标准模型里，假若温度足够高，物理系统的电弱对称性没有被打破，则所有基本粒子都不具有质量。当温度降到低于临界温度，希格斯场会变得不稳定，会跃迁至最低能量态，即量子力学的真空，整个物理系统的连续对称性因此被自发打破，W玻色子、Z玻色子、费米子也因此会获得质量。5

希格斯玻色子的实验探索

探寻希格斯玻色子时间轴