聊粒子-希格斯玻色子

29 3月

超导的BCS理论启发了南部阳一朗(1921-2015),将其搬到了粒子物理中,起名为“自发对称性破缺”。

先理解一下“相”(phase)。

“相”是物理学家最关心的物质的属性之一,其实就是状态(state),但相这个词的逼格更高一些。

例如水有3个相,或者说H2O这种分子有3个相:气相,液相,固相。

凝聚态物理最关心的就是物质的相的性质,和这些相之间是如何发生转换的。

最早1950年前苏联物理学家朗道提出:所有的相变,本质上都是对称性的变化,就是“对称性破缺”理论(symmetry breaking theory)。

水的3个相发生转变的原因就是水分子的对称性发生了改变。

当然这里的对称性,并不是几何意义上的轴对称,中心点对称等,而是:系统在经过某些特定的操作后,还能回到原来的状态,我们就称这个系统有某种对称性。

水呈液态时,分子是各项同性的,无论你怎么摇晃水杯,最后都能跟原来的水重合,所以液态水具有连续平移对称性。

但水结成冰后就不一样了,虽然分子还是H2O,但分子呈现正四面体的微结构,这样的结构就不满足连续平移的对称性了,但满足旋转对称性。

所以水和冰的对称性不同,是H2O的两种相。水结成冰,或冰化成水,本质上是对称性发生了变化。

你只要知道相是物质的一种状态,是给物质命名的一种命名规则。但到了量子层面,可能会出现明明是不同的相,但是具有完全相同的对称性。就是对称性相同的物理状态其实是不同的物理状态,出现了重名,需要一套全新的命名规则。

现在最前沿的是拓扑相,就是数学中的topology。关于相就先点到为止,否则又是个深坑。

南部阳一朗提出的“自发对称性破缺”就是:正常情况下电磁场是会辐射光子的,但莫名出来一个场,赋予了光子能量,导致对称性发生了变化,而且不是人为的,是自然发生的,所以叫“自发对称性破缺”。

在超导中能造成对称性破缺的是库珀对,但在粒子中这个场是啥呀?

南部阳一朗预言这个场应该是自旋为0的标量场(场就是粒子,粒子就是场,所以场也有自旋),而且在自发对称性破缺的过程中还会生成一个质量为0的玻色子。

2008年南部阳一朗因为“自发对称性破坏机制”获得了诺贝尔物理学奖。南部也是量子色动力学QCD的创始人之一,也是弦理论的创始人之一,大神一样的人物。

1961年英国物理学家戈德斯通在南部阳一朗的基础上发表了论文,给出了质量为0的玻色子更详细的性质,叫南部-戈德斯通玻色子。

后来戈德斯通与温伯格和萨拉姆一起用严格的数学公式推导证明了出来,自发对称性破缺必然会产生一种质量为0的粒子,叫戈德斯通定理。

于是人们就开始在实验中找这个新粒子,但就是找不到。人们开始怀疑,南部-戈德斯通玻色子真的存在吗?

1963年凝聚态大佬安德森(不是发现正电子的安德森)说自发对称性破缺不可能总伴随着无质量的粒子。因为超导BCS模型里就没看到其他质量为0的粒子。

而且现在这个过程太麻烦,本来有个传递力的规范玻色子,然后标量场的出现,又会诞生一个质量为0的标量玻色子。简单点,直接赋予规范玻色子质量不就行了。

正是安德森的这个想法,才有了希格斯机制。

希格斯机制最终由三组人,共6位物理学家共同完成。

首先是比利时的恩格勒(1932-至今)和他的导师布劳特(1928-2014)发表论文,论文很短就三页纸。

论文说粒子物理中,也像超导中库珀玻色子场一样存在一种场,通过某种机制,可以赋予传递作用力的规范玻色子以质量。例如传递弱力的W+-,Z0之所以有质量,就是这个场赋予的。W+-,Z0也因此名正言顺地出现在了标准粒子模型的规范玻色子里。

其次是英国的希格斯(1929-至今)发表了两篇论文,将恩格勒和布劳特的论文中说的某种机制具体描述了出来。

形象地说,就是规范玻色子将自发对称性破缺中产生的南部-戈德斯通玻色子给吃了,所以规范玻色子就获得了质量。

一举解决两个问题,首先南部-戈德斯通玻色子没有了,其次规范玻色子也有质量了。

希格斯还说,这个机制确实会额外产生一个粒子。但不是质量为0的南部-戈德斯通玻色子,而是一个有质量的自旋为0的玻色子,起名“希格斯玻色子”。

能赋予规范玻色子质量的场就是“希格斯场”,希格斯场激发出来的粒子就是“希格斯玻色子”。

最后美国的古拉尼(1936-2014),哈根(1937-至今),基博尔(1932-2016)本来也是准备发表希格斯机制的论文的,后来发现上述的恩格勒,布劳特,希格斯已经发表了。所以重新在他们的论文基础上发表了更加完整的,普适的,也就是现有版本的希格斯机制的论文。

诺奖委员会就比较为难,因为最多只能发给3人,具体谁得奖,这6位也确实发生了一点小争吵。最终恩格勒和希格斯,因为希格斯机制,获得了2013年的诺贝尔物理学奖。

1993年一堆物理学家就找当时英国负责科学项目的大臣拨款,建造更强的设备去找希格斯玻色子。大臣也是一脸懵,你们先给我解释一下“希格斯玻色子”是什么鬼?每个字母都认识,连起来是什么意思?

于是就开始比喻:例如一个空房间,我和吴彦祖穿过房间的时间是一样的。

但如果房间里有一堆粉丝,我穿过房间的时间不变。吴彦祖穿过房间的时间会变慢,因为热情的粉丝们会抢着和吴彦祖拍照。

房间里的粉丝就是希格斯玻色子,她们组成了希格斯场。

对吴彦祖来说,房间里多一种阻碍,要穿过房间就需要付出更高的能量,相当于获得了质量。质量取决于粒子和希格斯场相互作用的程度,即吴彦祖和粉丝们的互动程度。

因为没人认识我,没人会和我发生相互作用,所以我不会额外获得质量,就好像光子。

正是弥漫在空间中的希格斯场,才会让基本粒子中除了光子,胶子外的粒子具有质量。

人类为了找希格斯玻色子前后花费了40年的时间,因为它太难找了,只知道理论上它自旋为0,具有偶宇称值,其他啥都不知道,质量具体多少也不知道。

而且在微观层面粒子物理和量子力学又分不开,量子力学里啥都是概率,所以只知道某些情况下可能出现希格斯玻色子,例如夸克和反夸克湮灭,胶子的聚变等。

但即使出现了希格斯玻色子,它也会迅速衰变,人们只能通过各种衰变的产物,反推回去来寻找希格斯玻色子。整个过程相当困难。

2008年CERN的大型强子对撞机LHC带着使命诞生了,周长27公里,用这么长的隧道加速粒子进行对撞。

LHC下面有两个子设备粒子侦测器,分别叫做ATLAS超环面仪器,和CMS紧凑μ子线圈。分别坐落在LHC两端。两组人分别做实验,相互隔离,保证数据不能作假。

2012年7月4日CERN开发布会,宣布ATLAS和CMS分别发现了一个质量大约125GeV左右的新的玻色子,是不是希格斯玻色子还有待确认。

2013年3月14日,CERN正式宣布,之前发现的新玻色子正是希格斯玻色子。

标准模型中最后一个粒子终于被发现了,证明了希格斯场是存在的,希格斯机制也是正确的。

找到希格斯玻色子只是开端,它也被称为“上帝粒子”。还有种种谜团没有解开。没有上帝粒子,就没有我们熟悉的世界,粒子将会以光速飞溅,彼此间几乎不会产生任何相互作用。

对希格斯玻色子的研究可以帮助我们更好地研究宇宙,理解生命的起源,让我们拭目以待。

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