希格斯玻色子

希格斯玻色子标准模型里的一种基本粒子01粒子介绍理论上帝粒子理论发展史实验探索精确测量目录0305020406基本信息希格斯玻色子（英语：Higgsboson）是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子（有异议），不带电荷、色荷，极不稳定，生成后会立刻衰变。1964年，英国科学家彼得·希格斯提出了希格斯场的存在，并进而预言了希格斯玻色子的存在。而在希格斯机制中，希格斯场引起自发对称性破缺，并将质量予规范传播子和费米子。希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发，它通过自相互作用而获得质量。根据希格斯机制，基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。假若希格斯玻色子被证实存在，则希格斯场应该也存在，而希格斯机制也可被确认为基本无误。希格斯玻色子已被证实存在。2022年10月，希格斯玻色子的质量分布测量结果为：3.2兆电子伏特。粒子介绍粒子介绍综述本篇文章将希格斯玻色子简称为“希子”。

标准模型在粒子物理学里，标准模型是一种被广泛接受的框架，可以描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子。除了引力以外，标准模型可以合理解释这世界中的大多数物理现象。早期的标准模型所倚赖的规范场论阐明，基本力是源自于规范不变性，是由规范玻色子来传递。规范场论严格规定，规范玻色子必须不带有质量，因此，传递电磁相互作用的规范玻色子（光子）不带有质量。光子的质量的确经实验证实为零。借此类推，传递弱相互作用的规范玻色子（W玻色子、Z玻色子）应该不带有质量，可是实验证实W玻色子与Z玻色子的质量不为零，这显示出早期模型不够完善，因此须要建立特别机制来赋予W玻色子、Z玻色子它们所带有的质量。希格斯机制的场能效希格斯玻色子最早在1964年由彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒等在内的6位物理学家提出。希格斯玻色子能够利用自发对称性破缺来赋予基本粒子质量，同时又不会抵触到规范场论。理论发展史理论发展史自1899年英国物理学家汤姆逊爵士发现电子开始，时至今日，在一个多世纪的时间里，人类一直孜孜不倦地探索着微观世界的奥秘。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，为了满足定域规范对称性，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。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，苏联物理学者维塔利·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。1954年，杨振宁与罗伯特·米尔斯试图将这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。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，但是方程的某种解并不具有这对称性。理论希子性质希子制备希子衰变另类模型理论希子性质稍微复杂一点，但更实际一点，在最小标准模型（minimalstandardmodel）里，希格斯场是复值二重态，是由两个复值标量场，或四个实值标量场组成，其中，两个带有电荷，两个是中性。在这模型里，还有四个零质量规范玻色子，都是横场，如同光子一样，具有两个自由度。总合起来，一共有十二个自由度。自发对称性破缺之后，一共有三个规范玻色子会获得质量、同时各自添加一个纵场，总共有九个自由度，另外还有一个具有两个自由度的零质量规范玻色子，剩下的一个自由度是带质量的希子。三个带质量规范玻色子分别是W、W和Z玻色子。零质量规范玻色子是光子。由于希格斯场是标量场（不会因洛伦兹变换而改变），希子不具有自旋。希子不带电荷，是自己的反粒子，具有CP-偶性。标准模型并没有预测希子的质量。假若质量在115和180GeV之间，则能量尺度直到普朗克尺度（10GeV）上限，标准模型都有效。基于标准模型的一些不令人满意的性质，许多理论学者认为后标准模型的新物理会出现于TeV能量尺度。希子（或其他的电弱对称性破缺机制）能够具有的质量的尺度上限是1.4TeV；超过此上限，标准模型变得不相容，因为对于某些散射过程违反了幺正性。现今，学术界有超过一百种不同关于希格斯质量的理论预测。理论而言，希子的质量或许可以间接估计。在标准模型里，希子会造成一些间接效应。最值得注意的是，希格斯回路会造成W玻色子质量和Z玻色子质量的小额度修正。通过整体拟合从各个对撞机获得的精密电弱数据。希子可能会与前面提到的标准模型粒子相互作用，但也可能会与诡秘的大质量弱相互作用粒子相互作用，形成暗物质，这在近期天文物理学研究领域里，是很重要的论题。希子制备粒子对撞机尝试通过碰撞两束高能量粒子的方式来制备希子。实际物理反应依使用的粒子与碰撞能量而定。最常发生的反应为希子衰变标准模型所预测的希子衰变宽度与质量有关。标准模型所预测的希子的几种不同衰变模式的分支比与质量有关。在量子力学里，假若粒子有可能衰变成一组质量较轻的粒子，则这粒子必会如此衰变。衰变发生的概率与几种因素有关：质量差值、耦合强度等等。标准模型已将大多数这些因素设定，希子质量是一个例外。假设希子质量为126GeV，则标准模型预测平均寿命（meanlifetime）大约为1.56x10⁻²²秒。由于希子会与每一种“已知”带质量基本粒子相互作用，希子有很多种不同的衰变道。每种衰变道都有其发生的概率，称为分支比（branchingratio），定义为这种衰变道发生的次数除以总次数。展示出，标准模型预测的几种不同衰变模式的分支比与质量之间的关系。在这几种希子衰变道之中，有一种衰变道是分裂为费米子反费米子对。对于希子衰变，产物质量越大，则耦合强度越大（呈线性或平方关系）。因此，希子比较可能衰变为较重的费米子，希子应该最常衰变为顶夸克反顶夸克对。但是，这种衰变必须遵守运动学约束，即希子质量必须大于346GeV，顶夸克质量的两倍。假设希子质量为126GeV，则标准模型预测最常发生的衰变为底夸克反底夸克对，概率为56.1%。第二常发生的衰变是τ子反τ子对，概率为6%。希子也有可能分裂为一对带质量规范玻色子。另类模型所有应用希格斯机制来解释质量问题的模型中，最小标准模型只设定了一个复值二重态希格斯场，是最简单的标准模型。其它模型的希格斯场可能会被延伸成具有更多二重态或三重态。双希格斯二重态模型（two-Higgs-doubletmodels,2HDM）设定了两个复值二重态希格斯场，是在所有其它种模型中比较受到认可的模型，主要原因为双希格斯二重态模型预言五重态标量粒子的存在：两个CP-偶性的中性希子h、H，一个CP-奇性的中性希子A，和两个带电荷希子H、H。不同版本的2HDM与最小标准模型的分辨方法主要建立于它们的耦合常数与希格斯衰变的分支比都不相同。在模型I里，一个二重态能与所有种类的夸克耦合，另一个二重态则不能与任何夸克耦合。在模型II里，一个二重态能与上型夸克（up-typequark）耦合，另一个二重态则与下型夸克（down-typequark）耦合。超对称模型（SUSY）是标准模型的一种延伸，属于2HDM模型II。在超对称模型中，最小超对称模型（MSSM）的希格斯机制产生的希子数量最少。在最小标准模型里，希子质量基本而言是一个自由参数，只要小于TeV能量尺度就行。在MSSM里，最轻的CP-偶性的中性希子h的质量上限大约为110-135GeV。假若希子质量在125GeV左右，则MSSM的模型参数会被强列约束。在艺彩理论（technicolortheory）里，两个强烈束缚的费米子所形成的粒子对扮演了希格斯场的角色。顶夸克凝聚理论（topquarkcondensatetheory）提出希格斯场被顶夸克与反顶夸克共同组成的复合场替代的概念。实验探索实验探索为了要制成希子，在粒子对撞机里，两道粒子束被加速到非常高能量，然后在粒子探测器里相互碰撞，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，无法直接被探测到，探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，标准模型精确地预言所有可能衰变模式与对应的或然率，假若探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，两个独立的粒子探测器（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）。上帝粒子上帝粒子美国物理学家、1988年诺贝尔物理学奖获得者利昂·莱德曼曾著有粒子物理方面的科普书籍《上帝粒子：如果宇宙是答案，那么问题是什么？》，后来媒体也沿用了这一称呼，常常将希子称作是“上帝粒子”（TheGodParticle）。这一称呼激起了公众媒体对于希子的**和兴趣。莱德曼说他以“上帝粒子”为这粒子命名是因为这粒子“在当今物理学中处于极为中心的位置，对我们理解物质的结构极为关键、也极为难以捉摸”。不过他也开玩笑地补充说另一个原因是“图书出版商不让他把这粒子称作‘该死的粒子（GoddamnParticle）’，尽管这别称可能更恰当地表达了希子杳无踪迹的性质以及人们为之所付出的代价与遭受到的挫折感。”然而，许多科学家却不喜欢这一称呼，因为它过分强调了这粒子的重要性和太宗教化。而且即使这粒子被发现，物理学者仍旧无法回答一些关于强相互作用、电弱相互作用、引力相互