希格斯粒子综述

1、 现代理论物理导论作业 题目: 关于希格斯粒子的介绍 专 业 班 级 2014级学科教学（物理） 学 生 姓 名 学 生 学 号 完 成 时 间 关于希格斯粒子的介绍(2014级学科教学（物理） )摘 要：希格斯粒子的研究是物理学前沿领域研究，因此对于希格斯粒子的了解至关重要。此文首先在简单的介绍希格斯粒子的基本术语后，介绍了希格斯粒子的理论发展，及其实验研究，最后完整的介绍了希格斯粒子的基本概念，将对希格斯粒子的有关内容进行简单的综述。关键词：希格斯粒子； 理论发展； 实验探究1 关于希格斯粒子的基础术语介绍本篇文章使用到一些名称相近的术语。这些术语涉及到很多重要与相关的概念。为了避免混淆不

2、清，在这里特别对这些术语加以详细解释说明。规范对称性：将物理系统在各个时空位置的物理性质按照规范场论关联在一起，可以分为全局规范对称性与局域规范对称性两种。为了满足局域规范对称性，必须引入传递基本相互作用的规范玻色字，而这规范玻色子必须不带有质量。例如，为了满足局域规范对称性，电磁相互作用的规范玻色子不带有质量，因此，电磁力是长程力，光子的质量为零。相互作用的规范对称性迫使它的规范玻色子不带有质量，但是实验证明，弱相互作用的规范玻色子（W玻色子、Z玻色子）实际带有很大的质量，因此弱作用力是短程力。很长久一段时间，物理学者无法完善处理这理论瑕疵。希格斯机制：解释了为什么规范玻色子仍旧带有质量，尽

3、管基本粒子所遵守的物理定律必须满足规范对称性。理论物理学者进一步提出，希格斯机制可能是所有基本粒子获得质量的物理机制。这希格斯机制已被实验证实。但是，物理学者仍旧不清楚关于希格斯机制的诸多细节。希格斯场：是根据标准模型假定遍布于宇宙的一种基本场。假若这希格斯场存在，则弱电相互作用所遵守的对称性物理定律的会被打破。希格斯场的存在触发了希格斯机制，使得负责传递弱作用力的规范玻色子带有质量，因此弱作用力是短程力。理论物理学者进一步提出，这同样的希格斯场可以解释为什么其它种基本粒子（轻子、夸克）也带有质量。“希格斯玻色字”是伴随着希格斯场的带质量玻色子，是希格斯场的振动。假若能够寻找到希格斯玻色子，则

4、可以明确地证实希格斯场也存在于宇宙，就好像从观察海面的波浪可以推论出大海的存在。假若能够找到希格斯玻色子，则可证实希格斯场存在，连带地确认希格斯机制与标准模型基本无误。但是，几十年来，物理学者无法证实希格斯玻色子是否存在，因为很难制备出希格斯玻色子，而且希格斯玻色子的寿命非常短暂，在秒内，就会发生衰变。虽然理论给出亮丽的正确答案，1从1980年到2011年，具有探索希格斯玻色子功能的粒子对撞机、侦测器、电脑费了三十多年光阴的研究发展，才臻至完备。终于在2013年，物理学者表示，他们确信已从实验证实希格斯玻色子存在，因此，某种形式的希格斯场遍布于宇宙这概念已被证实。之后几年，更进一步仔细检试应该

5、会给出更多相关资讯，并且未来会对人类对于宇宙的认知有更大的冲击。2“希格斯势”涵盖了希格斯场的物理行为与性质，是描述希格斯场的方程的关键项目。依希格斯势的函数形式，希格斯场会表现出特征的物理行为。物理学者并不清楚希格斯势之确切形式，所以描述希格斯场的公式只能说是一个合理猜测。本篇文章从下段落起，将希格斯玻色子简称为“希子”。2 理论发展 2.1 理论的最初发展物理学者认为物质是由基本粒子组成，这些基本粒子彼此之间相互影响的基本力有四种。根据规范场论，为了满足局域规范场，必须引入传递基本力的规范玻色子。特别而言，传递电磁力的规范玻色子就是光子。1953年，杨振宁与罗伯特·米尔斯试图将这

6、关于电磁力的点子延伸至其他种基本力，他们提出了杨-米尔斯理论，但是规范场论预测规范玻色子的质量必须为零，而零质量玻色子传递的是类似电磁力的长程力，不适用于像弱核力或强核力一类的短程力。3 怎样才能够使得传递短程力的规范玻色子获得质量？物理学者在凝聚态物理学的超导理论里找到重要暗示。1950年，俄国物理学者维塔利·金兹堡与列夫·郎道提出金兹堡-朗道理论，他们建议，在超导体里，弥漫着一种特别的场，能够使得光子获得有效质量，但他们并没有明确地描述这特别场。1957年，约翰·巴丁、利昂·库珀、约翰·施里弗共同创建了BCS理论，他们认为，由电子组成的库珀

7、对，形成了这特别场。规范对称性被这特别场隐藏起来，因此造成自发对称性破缺虽然对称性仍旧存在于描述这物理系统的方程，但是方程的某种解答并不具有这对称性。3 南部阳一郎于1960年将自发对称性破缺的概念引入粒子物理学。他建议，假定夸克与反夸克的质量为零，则生成它们的能量成本很低，如同电子们在超导体里凝聚为库珀对，它们会在真空里凝聚为夸克对，使得强相对作用的手征对称性被打破，夸克会因此获得质量。他又指出，在这机制里，还会出现一种新的零质量玻色子，即介子，由于上夸克、下夸克的质量不等于零，介子的实际质量不等于零，只是比其他种介子的质量都轻很多。4 1962年，杰福瑞·戈德斯通提出戈德斯通定理

8、，对于这类零质量玻色子的性质给予描述。根据这定理，当连续对称性被自发打破后必会生成一种零质量玻色子，称为戈德斯通玻色子。带质量粒子比较难制成，粒子加速器必须使用很高的能量来碰撞制成带质量粒子。零质量粒子案例跟重质量粒子案例不同，零质量粒子很容易制成，或者可从缺失能量或动量推测其存在。然而，事实并非如此，物理学者无法做实验找到其存在的任何蛛丝马迹，这事实意味着整个理论可能有瑕疵。1963年，菲利普·安德森发表论文指出，对于非相对论性的超导体案例，假若是规范对称性被打破，则不一定会出现戈德斯通玻色子，他进一步猜测，这机制应该可以加以延伸来处理相对论性案例，但他并没有明确地给出一个相对论性

9、案例。这论述遭到未来诺贝尔化学奖得主沃特·吉尔伯特强烈反对。 1964年，弗朗索瓦·恩格勒和罗伯特·布绕特领先于8月，紧接着，彼得·希格斯于10月，随后，杰拉德·古拉尼、卡尔·哈庚和汤姆·基博尔于11月， 这三个研究小组分别独立地发表论文，宣布研究出相对论性模型。古拉尼于1965年、希格斯于1966年、基博尔于1967年，又分别更进一步发表论文探讨这模型的性质。这三篇1964年论文共同表明，假若将局部规范不变性理论与自发对称性破缺的概念以某种特别方式连结在一起，则规范玻色子必然会获得质量。 1967年，史蒂文·温伯

10、格与阿卜杜勒·萨拉姆各自独立地应用希格斯机制来打破电弱对称性，并且表述希格斯机制怎样能够并入稍后成为标准模型一部分的谢尔登·格拉肖的电弱理论。温伯格指出，这过程应该也会使得费米子获得质量。4关于规范对称性的自发性破缺的这些划时代论文，最初并没有得到学术界的重视，因为大多数物理学者认为，非阿贝尔规范理论是个死胡同，无法被重整化。1971年，荷兰物理学者马丁纽斯·韦尔特曼与杰拉德·特·胡夫特发表了两篇论文，证明杨-米尔斯理论（一种非阿贝尔规范理论）可以被重整化，不论是对于零质量规范玻色子，还是对于带质量规范玻色子。自此以后，物理学者开始接受这些理论

11、，正式将这些理论纳入主流。4从这些理论孕育出的电弱理论与改善后的标准模型，正确地预测了弱中性流、W玻色子、Z玻色子、顶夸克、粲夸克，并且准确地计算出其中一些粒子的性质与质量。 很多在这领域给出重要贡献的物理学者后来都获得了诺贝尔物理学奖与其它享有声望的奖赏。发表于现代物理评论的一篇1974年文章表示，至今为止，这些理论推导出的答案符合实验结果，但是，这些理论到底是否正确仍旧无法确定。5权威著作希格斯狩猎者指南的作者指明，标准模型拥有惊人的成功。现今，粒子物理学的核心问题就是了解希格斯区的相关理论。 2.2 物理评论快报1964年里程碑论文六位物理学者分别发表的三篇论文，在物理评论快报50周年庆

12、祝文献里被公认为里程碑论文。2010年，他们又荣获理论粒子物理学樱井奖。同年，在他们之间，又发生了一点争执，万一因此获得诺贝尔物理学奖，由于每一年只能授予给三位杰出人士，而现在有六位人士做出了关键贡献，到底应该颁发物理学最荣誉的奖给哪三位人士？（结果，弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯获得了2013年诺贝尔物理学奖。）1964年8月，恩格勒团队发表了三页论文，他们假定存在有复值标量场（即希格斯场），其数值在量子真空里不等于零，然后使用费曼图方法演示出规范玻色子怎样获得质量。恩格勒团队并没有提到任何关于希子的信息。稍后，希格斯独立发表论文概述怎样能够应用局域规范对称性来回避戈德斯

13、通定理，他并没有给出模型明确显示戈德斯通玻色子被抵销。不久之后，希格斯发表第二篇论文，他更仔细的表述这回避方法，给出一个可行模型，并且用这模型演示出规范矢量场怎样吃掉戈德斯通玻色子，因此获得质量。他将这篇论文被呈送给物理快报，但是令人惊讶地没有被接受。他无法理解，为什么同样的学术刊物，会接受一篇关于“带质量规范玻色子可能存在”的论文，又会否绝一篇描述“带质量规范玻色子实际模型”的文章。希格斯不因此而气馁，他又添加了一些内容，从他给出的模型，他预测另外存在一种带质量玻色子，后来知名为“希格斯玻色子”希格斯的1966年论文推导出希子的衰变机制；只有带质量玻色子可以衰变，假若找到衰变的迹象，就可以证

14、实希子存在。 古拉尼团队论文提到了恩格勒团队与希格斯先前分别独立发表的论文。古拉尼团队论文是唯一对于整个希格斯机制给出完整分析的论文。这论文也推导出希子的存在，但是希格斯的希子具有质量，而古拉尼团队的希子不具有质量，这结果令人疑问两种希子是否相同。在2009年与2011年发表的两篇论文中，古拉尼解释，在古拉尼团队给出的模型里，取至最低阶近似，玻色子的质量为零，但是这质量的数值没有被任何理论限制；取至较高阶，玻色子可以获得质量。 希格斯机制不但解释了规范玻色子怎样获得质量，还预测这些玻色子与标准模型的费米子之间的耦合。经过在大型正负电子对撞机（LEP）和史丹佛线性加速器（SLAC）做精密测量实验

15、，很多预测都已经核对证实，因此确认大自然实际存在这一机制。 但物理学者仍旧不清楚希格斯机制到底是怎样发生，他们希望能从寻找希子所得到的结果获得一些这方面的证据。 3 实验探究3.1 希格斯玻色子的实验探究 为了要制成希子，在粒子对撞机里，两道粒子束被加速到非常高能量，然后在粒子侦测器里相互碰撞，有时候，异乎寻常地，会因此生成产物希子。但是希子会在生成后会在非常短暂时间内发生衰变，无法直接被侦测到，侦测器只能记录其所有衰变产物（“衰变特征”），从这些实验数据，重建衰变过程，假若符合希子的某种衰变道，则归类为希子可能被生成事件。实际而言，很多种过程都会出现类似的衰变特征。很庆幸地是，标准模型精确地

16、预言所有可能衰变模式与对应的或然率，假若侦测到更多能够匹配希子衰变特征的事件，而不是更多不同于希子衰变特征的事件，则这应该是希子存在的强烈证据。在大型强子对撞机里，由于粒子碰撞生成希子的事件概率非常稀有，大约为百亿分之一， 很多其它种碰撞事件具有类似的衰变特征，物理学者必须搜集与分析几百万亿个碰撞事件，只有显示出与希子相同衰变特征的事件才可被视为是可能的希子衰变事件。在确认发现新粒子之前，两个独立的粒子侦测器（ATLAS与CMS）所观测到的衰变特征出自于背景随机标准模型的事件概率，都必须低于百万分之一，也就是说，观测到的事件数量比没有新粒子的事件数量，两者之间相异的程度为5个标准差。更多碰撞数

17、据能够让物理学者更为正确地辨认新粒子的物理性质，从而决定新粒子是否为标准模型所描述的希子，还是其它种假想粒子。低能量实验设施可能无法找到希子，必须建造一座高能量粒子对撞机，这对撞机还需要具有高亮度来确保搜集到足够的碰撞数据。另外，还需要高功能电脑设施来有序处理大量碰撞数据（大约25petabyte每年）。至2012年为止，它的附属电脑设施，全球大型强子对撞机计算网格（Worldwide LHC Computing Grid）已处理了超过三百万亿（3×1014）个碰撞事件。这是全球最大的计算网格，隶属于它的170个电算设施，散布在36国家，是以分布式计算的模式连结在一起。2.2 201

18、2年7月4日以前的探索最早大规模搜寻希子的实验设施是欧洲核子研究组织的大型正负电子对撞机，它在1990年代开始运作，直到2000年为止，但它并没有找到希子的确切存在证据，这是因为它的专长是精密测量粒子的性质。根据大型正负电子对撞机所收集到的数据，标准模型希子的质量下限被设定为114.4GeV，置信水平95%。这意味着假若希子存在，则它应该会重于114.4GeV/c2。6费米实验室的兆电子伏特加速器继承了先前搜寻希子的任务。1995年，它发现了顶夸克。为了搜寻希子，设施的功能被大大提升，但这并不能保证兆电子伏特加速器会发现希子。在那时期，它是唯一正在运作中的超级对撞机，大型强子对撞机正在建造，超

19、导超大型加速器计划已于1993年取消。历经多年运作，兆电子伏特加速器只能对于更进一步排除希子质量值域做出贡献，由于能量与亮度无法与建成的大型强子对撞机竞争，于2011年9月30日除役。从分析获得的实验数据，兆电子伏特加速器团队排除希子的质量在100-103GeV、147-180GeV以内，置信水平95%。在能量115140GeV之间区域，超额事件的统计显著性为2.5个标准差，这对应于在550次事件中，有一次事件是归咎于统计涨落。这结果仍旧未能达到5个标准差，因此不能够作定论。 欧洲核子研究组织的大型强子对撞机（LHC）的设计目标之一为能够确认或排除希子的存在。在瑞士日内瓦附近乡村的地底下，圆周

20、为27km的坑道里，两个质子束相撞在一起，最初以3.5TeV每质子束（总共7TeV），大约为兆电子伏特加速器的3.6倍，未来还可提升至2×7TeV（总共14TeV）。根据标准模型，假若希子存在，则这么高能量的碰撞应该能够将它揭露出来。 这是史上最复杂的科学设施之一。在开启测试后仅仅九天，由于磁铁与磁铁之间电接连缺陷，发生磁体失超事件，造成50多个超导磁铁被毁坏、真空系统被污染，整个运作被迫延迟了14个月，直到2009年11月才再度重新运作。 2010年3月，LHC开始紧锣密鼓地进行数据搜集与分析。72011年12月，LHC的两个主要粒子侦测器，超环面仪器（ATLAS）和紧凑子线圈（C

21、MS）的实验团队，已将希子的可能质量值域缩小至115-130GeV（ATLAS）与117-127GeV（CMS）。另外，ATLAS在质量范围125-126GeV侦测到超额事件，统计显著性为3.6个标准差，CMS在质量范围124GeV侦测到超额事件，统计显著性为2.6个标准差。8由于统计显著性并不够大，尚无法做结论或甚至正式当作一个观察事件。但是，两个侦测器都独立地在同样质量附近检测出超额事件，这事实使得粒子物理社团极其振奋，期望能够在检验完毕2012年的碰撞数据之后，于明年年底排除或确认标准模型希子的存在。CMS团队发言人吉多·桐迺立（Guido Tonelli）表示：“统计显著性不

22、够大，无法做定论。直到今天为止，我们所看到的与背景涨落或与玻色子存在相符合。更仔细的分析与这精心打造的巨环在2012年所贡献出的更多数据必定会给出一个答案。” 4 希格斯玻色子希格斯玻色子（英语：Higgs boson）是标准模型预言存在的一种基本粒子，是一种玻色子，自旋为零，不带电荷、色荷，非常不稳定，在生成后会立刻衰变，于2013年3月14日暂时被确认存在。这是一个重大的实验发现，对于希格斯场的存在与否也给出有力证据。为什么某些基本粒子带有质量，而某些基本粒子的质量为零？根据希格斯机制，基本粒子是因为与遍布于宇宙的希格斯场耦合而获得质量。希格斯玻色子是希格斯场的振动，是希格斯场存在的明确证

23、据，就好像从观察海面的波浪可以推论出大海的存在。物理学者认为，倘若能够通过做实验更加了解希格斯玻色子的物理性质，这将会对粒子物理学造成极大的冲击，促使核对标准模型其它尚未经过检验的部分成为可能，指引粒子物理学的其它理论与发现，导致后标准模型物理（physics beyond the standard model）的研究与突破，9并且在这漫长过程中，发展出很多对于人类生活品质有所助益的崭新科技。 希格斯玻色子是否存在？这是一个极为重要的基础物理问题。物理学者花费四十多年时间寻找它。至今为止，全世界最昂贵、最复杂的实验设施之一，大型强子对撞机（LHC），其建成的主要目的之一就是寻找与观察希格斯玻色

24、子与其它种粒子。2012年7月4日，欧洲核子研究组织（CERN）宣布，LHC的紧凑渺子线圈（CMS）探测到质量为125.3±0.6GeV的新玻色子（超过背景期望值4.9个标准差），超环面仪器（ATLAS）测量到质量为126.5GeV的新玻色子（5个标准差），这两种粒子极像希格斯玻色子。102013年3月14日，欧洲核子研究组织发表新闻稿正式宣布，先前探测到的新粒子暂时确认是希格斯玻色子，具有零自旋与偶宇称，这是希格斯玻色子应该具有的两种基本性质，但有一部分实验结果不尽符合理论预测，更多数据仍旧等待处理与分析。 希格斯玻色子是因物理学者彼得·希格斯命名。 他是于1964年提出

25、希格斯机制的六位物理学者中的一位。虽然这理论最终以希格斯的名字命名，在1960年至1972年之间，有很多物理学者对于这理论独立地做出不同贡献。2013年10月08日，因为“次原子粒子质量的生成机制理论，促进了人类对这方面的理解，并且最近由欧洲核子研究组织属下大型强子对撞机的超环面仪器及紧凑子线圈探测器发现的基本粒子证实”，弗朗索瓦·恩格勒、彼得·希格斯荣获2013年诺贝尔物理学奖。 参考文献：1 Leon M. Lederman and Dick Teresi. The God Particle: If the Universe is the Answer, What is

26、 the Question. Houghton Mifflin Company. 1993.2 Celeste Biever at CERN. It's a boson! But we need to know if it's the Higgs. NewScientist. 2012-07-06 9 January 2013.3 Sean Carroll. The Particle at the End of the Universe: How the Hunt for the Higgs Boson Leads Us to the Edge of a New World. Penguin Group US. 13 November 2012. ISBN 978-1-101-60970-5.4 Ellis, John; Mary Gaillard, Dimitri Nanopoulos, A Historical Profile of the Higgs Boson, 20125 Jeremy Bernstein. Spontaneous symmetry breaking, gauge