空中课堂｜上帝粒子——希格斯玻色子

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希格斯玻色子，常被称为“上帝粒子”，是粒子物理学中最重要的粒子之一。它是一种亚原子粒子，大小是质子的1/100，质量是质子的126倍。它于1964年被英国物理学家彼得·希格斯预言，科学家最终利用欧洲的大型强子对撞机（LHC）证实了它的存在。

图1：希格斯玻色子的艺术想象图

粒子物理学的标准模型表明希格斯玻色子的量子自旋为零，这是由其具有的独特的希格斯场决定的。比如重力场和电磁场，它们都具有明显的来源：物体的质量或通过磁场的电流。但是，希格斯场没有任何来源，它弥漫在宇宙中，与时空的“真空”耦合，因此该能量场享有真空的性质。真空没有量子自旋，因此希格斯场的载体希格斯玻色子也没有自旋。

宇宙中，由于量子波动，真空会处在高于其最低可能态的能量水平（“假”真空），但是并不稳定，其总是倾向于释放能量向最低可能态衰减。如果衰减发生了，这对宇宙来说是灾难性的：能量衰减会产生以光速移动的能量波，会破坏宇宙中的一切并用“真”真空（真空的最低可能态）代替它们。理论表明只有希格斯场才能使真空保持在“假”真空态，防止其衰减到“真”真空态，从而形成现在宇宙中的各种结构。

标准模型预言了希格斯玻色子的重要性，但它的实际性质是否与理论一致呢？自从被LHC发现以来，科学家对希格斯玻色子的性质进行了测量，没有发现其具有自旋的证据，并且目前能够测量出的其他性质也与理论描述的一致。我们宇宙的存在可能的确需要感谢希格斯玻色子以及希格斯场。

图2：大型强子对撞机（LHC）

希格斯玻色子的另一个重要性质是其能与其他粒子相互作用，使它们具有质量。可以这样想象，希格斯场像分布在宇宙中的糖浆，越小的粒子可以越轻松地穿过希格斯场，例如电子或光子，质量很小甚至没有质量，而越大的粒子在穿过希格斯场时会被减速，获得越多的质量。这个性质为发现暗物质粒子带来前所未有的期待。目前，弱相互作用大质量粒子（WIMPS）是最有可能的暗物质粒子，那么它应该会与希格斯场相互作用，从中获得质量，同时希格斯玻色子衰变为暗物质。LHC近期新一轮实验的重要目标之一就是通过希格斯玻色子寻找暗物质粒子。

希格斯玻色子是探究物理学最深层奥秘的关键工具。它使人们引发思考：基本粒子的关系、宇宙中的物质，以及宇宙的命运。

（北京天文馆）