量子理论的诞生和发展（27）：粒子物理中的对称破缺

作者：张天蓉

2013年3月14日，欧洲核子研究组织发布新闻，宣告LHC的紧凑渺子线圈（CMS）和超环面仪器（ATLAS）于2012年7月4日测量到了具有零自旋与偶宇称的希格斯玻色子——科学家们一直期待着的“上帝粒子”。

这是瑞士日內瓦西北部的郊區，左边已经能看到法国边境处的田野，背景是美丽的日内瓦湖。漂亮的建筑，翠绿的草坪，在这一片宁静祥和的美景之下，隐藏着一个巨大的科学研究装置：欧洲核子中心的大型强子碰撞机。

  

CERN的强子加速器LHC

欧洲核子中心（CERN）找到“上帝粒子”的消息之所以震惊了全世界，在于大型强子对撞机LHC隐藏在100米深的地下，位于一个周长27公里的巨大的环形隧道内。这是一个由多个国家的科学团体联合建造的世界上最大粒子加速器，其主要目的就是为了寻找希格斯粒子。它配置了一台世界上最昂贵的显微镜，总耗资达到130亿美元，由上万人为此日夜辛勤工作。2012年7月4日，终于追踪到一个平均寿命只有1.56×10⁻²²秒（s）的基本粒子——希格斯粒子！当CERN的实验物理学家们第二年基本确认发现了“上帝粒子”之后，诺贝尔委员会当年就决定将2013年的物理奖授予与此相关的两位理论物理学家：弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯。

希格斯玻色子的产生

“上帝粒子”并非天外来客。与其说CERN“发现”了希格斯粒子，倒不如说对撞机“制造”出了希格斯粒子更准确。科学家们让LHC隧道中的两束质子流以每秒11245圈的速度（接近光速）狂奔，使二者发生碰撞，在极小的空间内爆发出相当于十万倍太阳温度的超级高温，从而释放出大量的能量和粒子。科学家们预测，在这些释放出来的粒子中就有可能包含着希格斯粒子。不过，质子碰撞产生希格斯粒子的几率很小，每10¹²次的对撞才可能产生一次。并且，希格斯粒子即使产生了也会转瞬即逝，在10亿分之一秒内它会衰变成其它的粒子。因此，要想捕捉到希格斯粒子实在是太不容易了。

希格斯玻色子是粒子物理学认可的“标准模型”中其它基本粒子的质量“源泉”，它提供了一个“质量来源”的机制。

所谓质量，在中学物理书中被定义为客体“所含物质的多少”。但理论物理学家关注的是“质量起源”问题。“追根溯源”，寻求“万物之本”。“质量”在经典物理中是无可非议的存在，但在现代物理的“标准模型”中，却要煞费心机地去追溯它的“来源”。

标准模型试图将“万物”归纳统一为最少数目的“基本元素”，而描述粒子之间各种相互作用的较成功理论是“规范场论”。

希格斯玻色子是标准模型的最后一块拼图 

规范场论在数学上十分漂亮，但它有一个缺陷：与其相关的粒子（规范粒子）的质量只能为0，这会导致标准模型（见图）中的所有基本粒子的质量都为0。显然这不符合客观现实。然而现实是物理科学的“根基”，即使理论上再美，犹如舍不得放弃的“至爱”，其理论之美也只能服从于客观实际。希格斯机制可以解决二者之间的矛盾，使规范场的理论趋于完美。

物理学的基本理论不是简单撮合或大杂烩。上一篇提到南部阳一郎（Yoichiro Nambu，1921-2015）首先将“对称破缺”这一概念从凝聚态物理引入到粒子物理并非偶然，他是在反复仔细研究了BCS超导理论之后才有所突破的。

超导（BCS）的对称破缺（从U(1)到Z2）

南部一郎是日本人，1970年加入美国籍，2008年荣获诺贝尔物理学奖。他对物理学的最主要贡献就是对“对称性自发破缺”机制的研究。

他首先从量子场论的角度，用对称破缺的概念研究BCS超导理论问题。导体在低温条件下出现超导现象，最基本的因素仍然只会是电子之间的电磁相互作用。根据规范理论，电磁场符合U(1)群所描述的相位旋转对称性（上图）。但是，当电子双双组成“库珀对”之后，失去了相位360度的旋转对称性，只留下两个元素Z2群的对称性。U(1)到Z2对称性的变化，改变了原来物质能带图中的费米面结构，从而形成了超导。

BCS理论中的对称破缺，如同树立的铅笔从平衡位置可以向任何一个方向倒下一样，电磁作用中的基态不止一个，而是有无穷多个，类似物理规律具有旋转对称性。铅笔的“基态”是“简并”的，可以理解为有无限多的“基态”，但就整体而言，铅笔往一边倒下后，便只能处于一个具体的“基态”，这时就没有旋转对称性了。铅笔倒下后的那个“基态”正是缘自对称性的破坏。

2008年诺贝尔物理奖得主

获2008年诺贝尔物理奖的另两位日本本土物理学家小林诚和益川敏英在南部所做工作的基础上进一步研究了对称破缺。1973年，29岁的小林诚和33岁的益川敏英提出“小林－益川理论”，解释了宇宙演化过程中为什么粒子多于反粒子的原因。通过研究弱相互作用中CP对称性的破坏，他们认为粒子和反粒子之间除了电荷符号不同之外，还有一些微小的差异，这种微小的差异引起CP自发对称破缺，导致正粒子和反粒子的衰变反应速率不同，造成正粒子数目大大多于反粒子。

按照小林－益川理论，应该存在6种夸克，其对称破缺机制才能起作用。然而当时还只发现了3种夸克。后来，另外3种夸克分别在1974、1977、1995年被发现。而且，在2001年和2004年，美国斯坦福实验室和日本高能加速器也分别独立地实现了小林-益川理论所描述的自发对称破缺机制。

有趣的是，当初小林诚和益川敏英的论文是发表在一个日本的物理专业杂志上，好几年都无人问津。幸好后来有人将此文介绍到主流物理界才被大多数物理学家知晓或引用。

自发对称破缺展现了一个重要结论：某些情况下，物理实验得到与理论上的自然规律（方程）不一样的结果，那不一定是“违背了规律”，而是因为方程描述的是一般情形，我们观察到的物理世界只是方程的一个解。这个解是方程整体对称性自发破缺后的结果。

如前所述的规范理论中粒子质量都为0，不符现实客观，当引入了自发对称破缺概念后，粒子的质量就可能是来自于自发对称破缺。这就是希格斯机制的想法。

希格斯机制首先假设所有粒子都没有质量，这些粒子构造出漂亮的规范场理论，然后再从规范理论之外去寻找一种方法，给所有的粒子加上它应该有的质量。于是，“产生质量”的各种方案应运而生。这其中最简单的、大多数人最喜欢的一种便是在1964年由三组研究人员独立提出的希格斯机制。

也不是一定要由Higgs粒子来提供质量，还可以有别的方法。例如，根据爱因斯坦相对论所得出的质能关系：E = mc²，质量和能量是互相联系的。所以可以认为质量的一部分来源于能量。不过，这些质量与Higgs粒子没有一毛钱的关系。

质量的来源

从爱因斯坦的质能方程看，设想一个无质量的盒子，其中充满了不停地从四壁来回反射的光子。光子及盒子都没有静止质量，但由于光子带有总能量E，因而整个盒子可以有与能量相对应的质量m=E/c²。

实际上，质子质量的绝大部分可能就是来源于与上述光子盒类似的机制。质子的静止质量为938MeV，组成质子的三个夸克的总质量仅为11MeV，剩余的927 MeV的质量从何而来，有可能就来源于强相互作用的传递粒子“胶子”。虽然胶子和光子一样没有静止质量，但质子中的许多胶子在一起运动并发生相互作用会具有束缚能，也许这便是质子中绝大部分质量的来源。

希格斯机制能赋予粒子质量的基本道理是：空间中存在某种场，场与在其中运动的粒子相互作用，这种相互作用便可以改变运动粒子的能量，从而赋予粒子以相应的“质量”。

场的真空态是能量最低的状态。一般来说，能量最低的状态对应于场强为0。但如果场的势能曲线比较特别，比如通常所谓的“墨西哥帽子”势能曲线（见图），这时能量最低的状态是无限简并的，如同墨西哥帽一样是向下凹的一圈。这一圈的能量最低，但场强却不为0。希格斯场的真空态便可以由这种势能曲线描述的系统产生“自发对称破缺”而得到，就像图中所画的小球无法停在能量较高的不稳定位置那样，最后朝一边滚下到谷底某一点的情形。因此，希格斯机制假设真空中存在着场强非零的、稳定的希格斯场。这种场无处不在，无孔不入，质量为零的各种基本粒子身陷其中并与希格斯场相互作用，从而获得它应该具有的质量。

按照现代场论的观点，场的激发态表现为粒子。希格斯场的真空态有4种激发模式，其中沿着势能曲线对称轴绕圈的相位变化模式有3种，对应于3种质量为0的Goldstone粒子，这些粒子在与其它粒子反应时消失不见，叫做被“吃”掉了，只有一种沿着势能曲线“径向”振动的激发模式对应于有质量的场粒子，也就是被大家称之为“上帝粒子”的希格斯粒子。

希格斯粒子解决了质量的起源问题，物理学家们得以在规范场的基础上建立标准模型理论，将除了引力之外的其它三种力统一在同一个模型中。标准模型包括了61种基本粒子，而希格斯粒子是这些粒子中最后一个被“发现”的。因此，希格斯粒子的发现是验证标准模型的一个重要里程碑。