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上帝之谜：Higgs波色子物理科学与工程技术学院 10级逸仙班李焜阳 学号10329043韦玉明 学号：10329006摘要：本文简述了弱电统一理论的标准模型和Higgs玻色子的基本性质，介绍了Higgs玻色子的探测及探测设备ATLAS和CMS，还涉及到超对称模型。关键字：Higgs波色子、弱电统一理论、ATLAS、CMS、超对称模型引言1964年，英国科学家皮特希格斯基于Yang-Mill理论引入了自旋为零的粒子，使得规范场粒子在Higgs机制下拥有质量，从理论上解决了Yang-Mill理论的缺陷。后来，格拉肖、温伯格和萨拉姆在SU(2)LU(1)规范理论中引入Higgs机制，从而构成了今天的弱电统一理论。弱电统一理论的建立是20世纪粒子物理的重要成果，它经受住了广泛的实验检验，直到目前也没有直接的实验表明这个理论是错误的。然而，作为这个理论的核心之一的Higgs波色子却一直仍未发现。根据粒子物理的标准模型，粒子物理由62种基本粒子组成，在此前长达近半个世纪的探索中，人们已经找到61中基本粒子，但是Higgs粒子却很难在实验上发现。值得庆幸的是，今年7月4号，CERN发现了新的疑似Higgs粒子的亚原子粒子，这无疑给奋斗在粒子物理研究前沿的物理学家一剂强心剂。上帝粒子或将找到，标准模型的最后一块拼图也将完成。弱电统一理论的标准模型1958年美国物理学家费恩曼和盖尔曼提出矢量流减轴矢量流理论。根据该理论，盖尔曼预言：类似于电磁相互作用中的磁性，弱相互作用中也应有弱“磁”性。1963年吴健雄从实验上证实了盖尔曼的预言，表明了该理论取得一定的成功。只需要一个耦合常数就可表征弱相互作用的各种过程，该理论也称为普适弱相互作用理论。后来，格拉肖、温伯格和萨拉姆在普适弱相互作用理论的基础上，洞察到了弱作用和电磁作用内在实质的同一性，根据Yang-Mill理论，先后提出弱作用和电磁作用具有统一性的思想，建立弱电统一理论。电磁作用是宇称守恒的，对应一维幺正对称群U(1)，弱作用是宇称不守恒的，对应二维幺模幺正对称群SU(2)。为了将两者统一起来，需要在SU(2)LU(1)群上描述弱电统一理论。SU(2)LU(1)群有四个生成元，3个是SU(2)的，1个是U(1)的。这4个元对应于轻子所带有的4种弱荷及其生成的4种基本规范场、。4种基本规范场是传递物质场及其相应粒子相互作用的矢量场，它们使物质场（自旋为1/2的轻子和夸克对应的旋量场）和标量场（相应粒子的自旋量子数为0）的运动规律在SU(2)LU(1)定域规范变换下保持不变。根据标准模型，Higgs标量场遍布整个自然界，4种基本规范场在与Higgs场的作用下两两重新组合。和组合成两种带电的中间矢量玻色子场和，它们和带电粒子构成弱带电流相耦合；和组合成电磁场和中性中间矢量玻色子场，它们和弱带电流以及由中性粒子构成的弱中性流相耦合。标准模型将弱作用和电磁作用统一起来，这些力是通过力粒子作为媒介传播的，对电磁力来说是光子，对弱作用力来说是W和Z玻色子。Higgs玻色子的提出在Yang-Mill理论中，传递相互作用的是无质量的规范粒子。然而实验表明，传递弱作用的规范粒子（弱中间玻色子）应当具有较大质量，传递电磁作用的规范粒子（光子）应当是无质量的。这就要求存在能实现对称性自发破缺的理论满足实际的物理条件。1964年，英国物理学家Higgs在量子场论中引入真空对称性自发破缺的概念：Higgs场的场量为零时其能量不是最小；场量取某一不为零的量时场能最小。在一切场的总能量都达到最小的物理真空态上，Higgs场的场量真空期望值在某个方向上不为零，物理真空偏离了一切场的场量为零的状态，从而不再具有SU(2)LU(1)定域规范变换下的不变性，称为真空对称性自发破缺。Higgs场的场量子是自旋量子数为零的标量粒子，其中具有静质量的粒子称为Higgs粒子；没有静止质量的粒子称为高德斯通粒子。传递弱相互作用的中间玻色子W和Z在真空对称性自发破缺下与Higgs场发生相互作用。Higgs场的高德斯通粒子的波函数则转换成弱场和的纵向分量，相当于W和Z吸收了高德斯通粒子及其运动质量，从而获得很大的静质量。而电磁作用对应的U(1)规范对称性没有真空自发破缺现象，不存在与之相互作用的Higgs场，因而电磁场的量子即光子无从获得静质量。Higgs粒子使得弱电统一理论得以自洽，并且经受住各种实验的检验。然而，对自然界是否真的有所谓的Higgs粒子，许多物理学家仍旧抱着审慎的态度。也有一些物理学家提出一些新的理论如五彩（technicolor）夸克模型和超对称理论，但这些理论都没能超越Higgs机制。因此，半个多世纪以来，物理学家们一直在苦苦找寻着Higgs粒子，试图揭开上帝的面纱。Higgs波色子的探测2012年7月4日，欧洲核子研究中心宣布LHC的紧凑子线圈（CMS）探测到质量为125.30.6GeV的新粒子（超过背景期望值4.9个标准差），超导环场探测器(ATLAS)测量到质量为126.5GeV的新粒子（5个标准差）。这两个粒子与Higgs玻色子性质相符。在7月底有望看到完整的计算结果和最终论文，年底LHC的数据量将增大一倍，相信可进行确认。另外，欧洲核子中心将从2013年起把对撞机能量从8TeV提高到14TeV，进行下一步实验。Higgs波色子不能稳定存在，在碰撞后10亿分之一秒的时间内衰变，并且可以衰变成很多很多种粒子。在恰当通道中，通过探测到的粒子的能量和动量，重建出这个事例的不变质量。假如不存在希格斯粒子，把探测器看到的每个事例的不变质量画出来，就是一条光滑的线。如果存在希格斯粒子，由它衰变而来的粒子在希格斯的质量附近就存在共振峰，原来光滑的曲线上就会出现一个小鼓包，鼓包的峰值就是希格斯的质量。目前认为有五个通道（即5种衰变模式）有可能看出鼓包来。其中H（双光子）和HZZllll（四轻子）最佳，另两个本底很大，关键在于HWWll，但中微子看不见。 2011年公布的分析结果中，和ZZ看到了鼓包存在的迹象，但WW没看到，若此情况继续，就表示，找到了一个性质与预期的不太一样的新粒子，这也许不是Higgs波色子，也许存在新物理。 这次的结果，据称在最后一段时间才终于找到了WW道的信号，两组的信号显著度都在5倍标准偏差左右，说明“与Higgs波色子相符”。不过，由于还没有仔细研究这个新粒子的性质，还不能完全断定它的性质与希格斯教授预言的一样，出于谨慎，目前没有直接说发现了Higgs波色子，而是说：发现了一个新粒子，其性质与Higgs波色子相符。超导环场探测器（ATLAS）下面两节简述一下ATLAS和CMS探测器。超导环场探测器（A Toroidal LHC ApparatuS, ATLAS），或称超环面仪器，是欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞器（LHC）所配备的七大实验侦测器之一。2008年9月10日侦测到第一个粒子束事件。此实验是专门为观测涉及高质量粒子的现象而精心设计建造；使用先前较低能量的粒子加速器无法观测到这些现象。此实验也可能为在标准模型之后的新理论找到一些线索。 ATLAS探测器是由以相互作用点为中心的一系列同中心轴圆柱壳型设备和其两端的圆盘型设备所组成，主要分为四个部分：内部探测器、量能器、子谱仪和磁铁系统。其中每一个部分又细分为好几层。各个探测器的功能相互补充 ：内部探测器精确地确定粒子的轨迹，量能器测量那些被截止粒子的能量，子系统则提供高度穿透性子的额外测量数据。磁铁系统所产生的磁场促使带电粒子在移动于内部探测器时发生偏转，子谱仪可以从偏转的曲率测得这些粒子的动量。中微子是唯一不能直接被探测到的已知稳定粒子；从仔细分析被探测到的粒子的动量不平衡现象，可以推断出中微子的存在。为了实现上述目标，探测器必须是密封探测器（hermetic detector），并必须探测到所有除了中微子以外的粒子，避免存在有任何探测盲点。保持探测器在质子束附近的高辐射区具有良好性能。图一 电脑绘制的ATLAS探测器剖视图展示出内部各种设备(图片来源：维基共享资源)子谱仪：（1）受监控漂移管 （2）薄隙室磁铁系统：（3）端冒环状磁铁 （4）外筒层环状磁铁内部探测器：（5）跃迁辐射跟踪器 （6）半导体跟踪器 （7）像素探测器量能器：（8）电磁量能器 （9）强子量能器 紧凑子线圈(CMS)紧凑子线圈（CMS，Compact Muon Solenoid），CERN的大型强子对撞机计划的七大通用型粒子侦测器中的另一个。CMS 建在法国的Cessy的地下洞穴中，刚好跨过瑞士日内瓦的边境。 CMS 是设计成一个通用型的侦测器，用来研究LHC加速器所提供的 14 TeV 质心能量下质子对撞的物理。其子侦测器包含了用来量测在对撞后所产生的光子, 电子, 子等粒子的能量与动量的设备。位于最内层的侦测器为由硅芯片所构成的轨迹追迹系统。环绕其外的则是由闪烁体所构成，用来量测能量的电磁量能器(electromagnetic calorimeter)，与之外三明治结构的强子取样量能器(sampling calorimeter)。由于追迹系统与量能器的紧凑型设计，CMS 用来产生 4 T(特斯拉)的强力磁场线圈可以将上述两侦测器包覆于其中。于线圈外的则是大型的子侦测器，同时包夹于构成磁场线封闭循环的铁芯(return york)之中。如此构成全称：紧凑子线圈。 图二 CMS 侦测器的结构（图片来源：维基共享资源）其中位于筒状结构的下方，有一般成人的高度可作为比例尺。（HCAL=强子量能器，ECAL=电磁量能器）超对称模型超对称模型是标准模型的重要挑战者之一，假若本次结果最终被确认，对标准模型而言将是福音。但新粒子也可能是其他理论模型里面的粒子。比如，在最小超对称模型中预言有5种希格斯玻色子，其中最轻的那个希格斯粒子与标准模型中的希格斯粒子很接近。若果后续研究证实是后者，情况将大有不同。 在超对称理论中每一种基本粒子都有一种超对称伙伴粒子与之匹配， 超对称伙伴的自旋与原粒子相差 1/2 (也就是说玻色子的超对称伙伴是费米子， 费米子的超对称伙伴是玻色子)， 两者质量相同，各种耦合常数间也有着十分明确的关联。 超对称使得玻色子与费米子在物理性质上的互补，在一个超对称理论中，这种互补性可以被巧妙地用来解决高能物理中的一些极为棘手的问题，比如标准模型中著名的等级问题。此外，强、电磁及弱相互作用的耦合常数在基本模型框架内总不相等，与大统一理论的要求不相容。但计算表明，在对标准模型进行超对称化后所有这些耦合常数在高能下非常漂亮地汇聚到了一起。这也让许多信奉大统一理论的物理学家对其充满期待。可惜超对称自提出至今已近40年，在实验上却始终未能观测到任何一种已知粒子的超对称伙伴，甚至于连确凿的间接证据也没能找到。若希格斯粒子被确认，而超对称迟迟未被发现，弦论也只能逐渐降温。 参考文献1吴济民，希格斯（Higgs）粒子J,物理，1989(12)，719-725页2魏安赐，弱电统一理论的标准模型J，现代物理知识，2003（06），6-8页3张会，Higgs机制的历史发展研究J，湖南师范大学学报（自然科学版），1995（01）4刘金海，规范对称性与弱电统一理论J，湖南师范大学学报，1981（03）5曹俊希格斯花絮J/blog-296183-58892