2013年3月14日,欧洲核子研究组织(Conseil Européenn pour la Recherche Nucléaire,简称CERN)正式宣布,LHC(Large Hadron Collider,大型强子对撞机)的紧凑渺子线圈(CMS)和超环面仪器(ATLAS)于2012年7月4日,测量到了被称之为“上帝粒子”、具有零自旋与偶宇称特点的希格斯玻色子(Higgs boson)。
欧洲核子研究中心可以说是世界上粒子物理研究最前沿的地方。二十多年以前,万维网在这儿悄然诞生,之后的发展有目共睹。2012年,CERN宣告找到“上帝粒子”的消息震惊了全世界。第二年,诺贝尔奖委员会将2013年的物理学奖授予了与此相关的两位理论物理学家:弗朗索瓦·恩格勒(François Englert, 1932-)和彼得·希格斯(Peter Higgs,1929-)[1]。
图1左显示的是瑞士日内瓦西北部的郊区,左边已经能看到法国边境处的农田,背景是美丽的日内瓦湖。漂亮的建筑、翠绿的草坪,你可能很难想象,在这一片宁静祥和的美景之下,隐藏着一个巨大的科学工程:欧洲核子研究中心的大型强子对撞机LHC。
LHC隐藏在100米深的地下,位于一个周长27公里的巨大环形隧道内。当年,世界各国的科学团体联合建造这个世界上最大粒子加速器的主要目的,就是寻找希格斯粒子。这也是一台世界上最昂贵的“显微镜”,几年来,世界各国合作总耗资达130亿美元,上万人为此日夜辛勤工作,目的就为了追踪一个平均寿命只有1.56×10−22秒(s)的小小的基本粒子。
图2:希格斯玻色子的产生
图3:希格斯玻色子是标准模型的最后一块拼图
阳一郎于1970年加入美国国籍,2008年荣获诺贝尔物理学奖,2015年7月5日在大阪去世。他是一个时代少有的先知先觉者,就像著名超对称理论家布鲁诺·朱米诺(Bruno Zumino,1923-)曾经评价的那样:“他总是比我们超前10年,所以我曾试图理解他的工作,以便能对一个10年后将会兴盛的领域有所贡献。可是,与我的期望相反,我费了10年的工夫才理解他的工作。”
阳一郎首先从量子场论的角度,用对称破缺的概念,仔细研究了BCS超导理论问题。超导现象中起作用的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(图4左)。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,改变了电子运动规律,从而形成了超导[2]。
BCS理论中的对称破缺,与铅笔从平衡位置倒下十分类似。平衡的铅笔具有旋转对称性,但它可以向任何一个方向倒下,倒下后便失去了旋转对称性。电磁作用中的“方程”类似于平衡的铅笔;系统的“基态”不止一个,而是有无穷多个,类似于铅笔可以倒下的无穷多个“方向”。也就是说,物理规律具有旋转对称性,“倒向”一个具体的“基态”后,旋转对称性就“破缺”了。
2008年诺贝尔物理学奖得主中的另两位日本本土物理学家小林诚(Kobayashi Makoto,1944-)和益川敏英(Toshihide Maskawa,1940-)在对称破缺研究方向上更进一步。
图6:质量的来源
比如说,如图6a,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,但是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m=E/c2的质量(图6a)。
[1]Higgs P W. Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons[J]. Physical Review Letters,1964,13 (16): 508–509.
[2]Nambu, Y.; Jona-Lasinio, G. (October 1961).'Dynamical Model of Elementary Particles Based on an Analogy with Superconductivity. II'. Physical Review 124: 246–254。.
[3]M. Kobayashi, T. Maskawa (1973). 'CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction'. Progress of Theoretical Physics 49 (2): 652–657.
赛先生
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