希格斯玻色子

你肯定听说过上帝粒子，那什么是上帝粒子呢？为什么基本粒子的版图中缺他不可呢？这里我们需要先补充一些基础知识。

之前我们介绍了场的思想，实际上基本粒子的标准模型就是一种场论，所谓标准模型就是买描述电磁力、弱力、强力这三种基本作用力，和组成物质的所有基本粒子的一套场论，具体而言就是杨-米尔斯规范场。我们不需要知道什么是规范场，只需要知道规范场中用来传递作用力的粒子不能有质量就行了，这是为了满足某种规范对称性的必要条件。比如说，在电磁场中传递相互作用的粒子是光子，因为光子没有质量所以电磁场才具有某种对称性，因为有了对称性，然后才能有电荷守恒。如果光子有质量了，这种对称性就会被破坏，也就没有电荷守恒了，这就是为什么这个规范玻色子必须不能有质量的原因。

可是如果是这样的话，传递电磁力的光子和传递强力的胶子确实都没有质量了，然而传力弱相互作用的规范玻色子W+-和Z0都是有质量的，所以严格来说就不能够使用规范场来描述弱力。这就是当年温伯格等人在考虑电弱统一的时候遇到的问题。怎么办呢？为了弥补这个问题人们想了一个办法。有没有可能存在一种粒子，它原本是没有质量的，可是一旦它出生在世上，就会由于某种原因莫名其妙的获得了质量，这个质量是后天机制获得的，因此也就不会打破规范场的对称性了，我们就又可以使用杨米尔斯理论来描述了。能不能有这种情况出现呢？能，后天获得质量的机制就是所谓的希格斯机制。而传递弱力的W±和Z玻色子就是这样的粒子，它们本身没有质量，而是由于希格斯机制的存在才具有了质量。你会不会觉得希格斯机制完全是为了满足，我们可以用杨-米尔斯规范场来描述弱力的需求而胡编乱造的呢？

其实还真不是，因为希格斯机制最早的灵感来源并不是粒子物理，而是凝聚态，具体点是凝聚态中的超导现象。什么是超导？我们通常接触的各种电线能够传递电流的物质都有一种属性叫做电阻，也就是对电流的阻碍程度，反映到微观层面就是一个个电子过来了，物质里面的原子和电子是一直在动的，那电流的电子就会和它们发生碰撞，撞来撞去电流的电子速度也就减慢了，也就是存在一种阻碍。但是人们发现有一些材料，在极低的温度下就可以没有电阻，电流就可以毫无阻碍的通过导体，这就是超导现象。这个现象的理论解释最开始就是由朗道和另外一个人金兹堡在1950年给出的，他们认为在超导体中存在着一种莫名其妙的场，这个场可以给光子赋予质量。这块有点不好理解了，什么叫给光子质量呢？别着急，后来三个美国人给出了更具体的解释，这三个人是巴丁、库珀和施里弗。他们三个人的理论名称就是名字的首字母命名的，也就是所谓的超导的BCS理论，BCS理论的主要目的就是来解释是什么场能够给光子质量呢？这三位发现，在低温下两个电子会抱团，形成一个电子对，学名叫做Cooper pair库珀对，单个电子的自旋是1/2,也就是费米子，但是两个电子组成的Cooper pair自旋就是整数了，就变成玻色子了。一般情况下费米子都是组成物质的粒子，玻色子是用来传递作用力的粒子。那为啥库珀对就不会受到阻碍呢？简单说就是如果其中一个电子发生碰撞受到了一个阻力，那和它组队的电子就会立刻给它一个大小相同方向相反的力来抵消，所以整体的看就像没受到作用力一样，电流也就不会受到损耗。好，现在来解释什么叫做给光子以质量。人们发现了一个事，就是正常情况下电流的损耗不仅仅是因为电子和其他粒子发生的碰撞，还有一个能量损耗的原因，我们知道，电子的运动会形成电磁场对吧，原则来说这个电磁场就会通过辐射光子的形式释放能量，只不过正常的电流中辐射出的光子能量都很微弱，所以我们很难观察到。不过这确实是不可避免的造成能量损耗的原因之一。那就有问题了，在超导现象当中，碰撞的原因由于库珀对可以避免了，可是这种通过辐射光子来消耗能量的形式为什么也不存在了呢？答案就是库珀对形成的玻色子场能够给光子质量。那为什么光子有质量就不消耗能量了呢？咱们经常听说这样一句话，就是水往低处流，这句话的含义就是能量总是自发的从高能趋向低能状态，因为系统的能量越低就越稳定，这就是自然界普遍存在的能量最低原理。那我们再来理解一下，电磁场为什么可以辐射光子？因为光子没有质量，这能量多低啊，但是一旦光子具有了质量，就变成相对来说一个有门槛的高能态了，因此电子要想辐射出光子就要付出更高的代价，所以干脆就不辐射了呗。这就是为什么超导现象能够达到0电阻的原因之一，一句话总结就是好像是这个库珀玻色场给了光子以质量。这就是超导的BCS理论。

这个理论被当时的一个人注意到了，他叫做南部阳一郎，这位获奖无数但为人十分低调，南部就是提出夸克的色荷标准的人，他也是弦理论的创始人之一。他就把超导当中的BCS理论搬到粒子物理这来了，把刚才说的现象起了名就叫做“自发对称性破缺”，就是本来电磁场辐射光子很正常的事，这在物理学家看来就是对称的，但是莫名其妙出来一个场，它还能够给粒子质量，打破了这种对称性，这就是所谓的对称性破缺，而且不是人为的，就是一种自然现象，所以叫做自发对称性破缺。

接下来问题就来了，在超导中能够造成对称性破缺的是库珀对，可是在粒子中这个场是啥呢？那就是希格斯场，而希格斯场的波动就是希格斯玻色子，这个希格斯玻色子就是所谓的上帝粒子。那顾名思义物理学家希格斯在这项工作中做出了开创性的工作，虽然他并不是第一个做这方面理论的人。所以我们只要能够找到希格斯玻色子，就能证明希格斯场是存在的，希格斯场存在那么希格斯机制就是存在的，基本粒子的标准模型就算是完备了。

苍天不负有心人，2012年7月，在CERN的大型强子对撞机LHC的不懈努力之下，发现了一个质量大约是125GeV左右的新玻色子，但是是不是希格斯粒子还有待确认，又过了一年在2013年3月14日，CERN公开表示，之前发现的粒子正是希格斯玻色子。至此61个基本粒子终于集齐了！但物理学家的任务显然没有结束，因为你会发现在四大基本作用力中，我们最熟悉的引力并不在标准模型当中，所以标准模型并不是万有理论，我们当然希望能够把宇宙化繁为简，但是量子力学和广义相对论就像是冰与火，暂时还无法融合。但一些更新的理论，像是弦论、圈量子引力等都在进行着大统一的尝试。相信有生之年，我们一定可以揭示宇宙的全部奥秘，找到最简单的运行法则。

作者：妈咪说 科普创作者

审核：罗会仟 中国科学院物理研究所副研究员

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