“上帝粒子”——希格斯玻色子（附視訊詳解）

視訊：上帝粒子——希格斯玻色子是什麼？

物理學家彼得• 希格斯（Peter Higgs）1964年走在蘇格蘭高地上時，想出了一種解釋粒子質量的方法，他將其稱為他的“一個大想法”。粒子之所以有質量，似乎是因為在力場中運動時被減速了，該場現稱為希格斯場。希格斯場由希格斯玻色子傳遞。諾貝爾獎獲得者里昂• 萊德曼（Leon Lederman）稱希格斯玻色子為“上帝粒子”。

物體為什麼有質量？卡車質量大，是因為它含有大量的原子，且每個原子的質量都較大。卡車的鋼板含有鐵原子，而鐵位於元素週期表中非常靠下的部位。原子為什麼有質量？我們已經知道，原子內部大部分實際上都是空間。為什麼質子比電子、中微子和光子都要重呢？

雖然人們早在20 世紀60 年代就已經知道了有4 種基本作用力（相互作用），但這4 種力的力傳播粒子卻截然不同。光子帶有電磁相互作用的資訊，膠子通過強核力將夸克聯絡在一起，而W 玻色子和Z 玻色子攜帶弱核力。但為什麼光子沒有質量，W 玻色子和Z 玻色子卻有質量呢（質子質量的1/100）？為什麼存在這種差別？如果考慮到電磁理論和弱核力可以相互統一成電弱力，那這種差距就顯得尤其大。但該理論卻並不能預測弱核力粒子——W 玻色子和Z 玻色子為什麼有質量。它們好像應該和光子一樣，沒有質量。大統一理論在統一基本作用力時也有這個問題。載力粒子按理說也不應該有質量。為什麼它們不像光子一樣沒有質量呢？

緩慢運動　

希格斯認為，載力粒子在經過背景力場時速度減慢了。該場現稱為希格斯場，通過希格斯玻色子的傳輸發揮作用。設想將一個小球扔到玻璃杯中，如果杯子不是空的，裡面裝滿了水，那麼小球落到杯底就需要較長的時間。小球在水中的質量好像變大了——因為重力需要更長的時間才能使其沉到水底。在水中行走時的道理是一樣的：速度比較慢，腿會感到比較重。如果將小球扔到一杯果汁中，下沉的速度就更慢了。希格斯場的作用方式與黏稠的液體類似，它可以降低其他載力粒子的速度，它們的加速變得不那麼容易，慣性變大，實際上也就是賦予它們質量。希格斯場對W 玻色子和Z 玻色子的作用比光子更加強烈，使前兩者的質量更大。

希格斯場非常類似於電子經過帶正電原子核晶格（如金屬）時的情形。電子受到正電荷的吸引，速度會有點減慢。有正離子時，電子的質量好像變大了。此時發揮作用的是光子傳遞的電磁力。希格斯場的原理類似，只是載力粒子是希格斯玻色子。讀者也可以想象，某位影星參加雞尾酒會，周圍全是希格斯玻色子時的情形。他經過房間時會感到很困難，因為房間裡的社互動動減慢了他的速度。

如果是希格斯場讓其他力的中介玻色子有了質量，那希格斯玻色子的質量又是多少呢？希格斯玻色子的質量從何而來呢？這是不是又是一個“雞生蛋還是蛋生雞的問題”呢？遺憾的是，理論無法預測出玻色子的質量，只能預測在粒子物理的標準模型內，希格斯玻色子必然有質量。因此，物理學家們期望能在實驗室裡觀察到這一點，不過卻並不清楚難度有多大，什麼時候能觀察到（目前還沒有觀察到）。現在，從人們對與希格斯粒子特點相同的粒子的搜尋結果來看，我們知道希格斯粒子的質量一定比已有實驗得到的要大。希格斯玻色子質量應該較大，不過要知道它的準確質量還需要一些時間。

磁鐵中對稱性的破壞

高溫條件下，磁鐵中的原子會變得雜亂無序，固有磁場變為隨機排列，使材料失去磁性。當溫度降低到某個溫度（稱為居里溫度）以下時，磁偶極又會再次排列整齊，產生巨集觀磁場。

確鑿證據　

位於瑞士的CERN（歐洲核子研究中心）中的大型強子對撞機（LHC）將對希格斯粒子進行深入研究。CERN 位於日內瓦附近，是一座大型粒子物理實驗室。它擁有最大周長為27 千米的環形隧道。該隧道位於地下100 米處。LHC 中的巨型磁鐵對質子進行加速，使質子沿著軌道發生彎曲。粒子在運動過程中不斷加速，速度越來越快。兩束方向相反的粒子分別被加速，且速度達到最大值後，使二者相互撞擊，這樣兩束質子束中的質子就會迎面相撞。這些巨大的粒子如果壽命很短，那麼隨著它們的衰變，產生的巨大能量會暫時釋放出大量能夠被探測器探測到的巨大粒子。LHC 的目標是尋找數十億粒子中的希格斯粒子。物理學家已經知道了要尋找的粒子，但現在要捕捉到它還很困難。如果能量足夠高，希格斯粒子可能會存在幾分之一秒，然後再衰變成其他粒子。因此，物理學家們不再直接尋找希格斯粒子本身，轉而去尋找能證明它存在的間接證據，然後再將所有粒子組合起來，推斷希格斯粒子存在與否。

對稱性的破壞　

希格斯粒子什麼時候才能出現？由此出發，如何解釋光子和其他玻色子？由於希格斯玻色子的質量一定很大，因此只可能在極端能量條件下出現。而且，根據海森堡不確定性原理（見第106頁），該粒子在極端能量下出現的時間很短。理論假定，在早期宇宙中各種形式的力都是以同一種力的形式存在的。隨著宇宙溫度的下降，經過某種叫作對稱破缺的過程，4 種基本力才逐漸分離出來。

對稱性破壞聽上去難以想象，實際卻很簡單。它標誌著系統的對稱性被某一事件消除了。設想有一張圓形餐桌，上面已經放好了餐巾和餐具。不管你坐在什麼位置，桌子看上去都是一樣的，我們說此時桌子是對稱的。如果有人把拿餐巾拿了起來，那麼對稱性就消失了（其他人可以說出自己相對於此人的位置），於是發生了對稱性的破壞。僅這一個拿起餐巾的事件就會產生一系列連鎖反應——其他人拿起的自己面前的餐巾都是左側的（相對於上述事件來說）。如果從另一側拿起餐巾，情況就正好相反。這說明，隨後的模式是由觸發它的隨機事件建立的。與此類似，宇宙溫度下降時，力的依次分離也是因為事件造成的。

即便科學家無法用LHC 探測到希格斯粒子，結果也是很有趣的。中微子與頂夸克的質量相差14 個數量級，需要用標準模型給出解釋。這即便用希格斯玻色子也難以做到，何況現在還沒發現這種粒子。如果能發現上帝粒子，那麼所有一切就都能解釋；如果觀測不到，就需要修正標準模型，建立新的物理學理論。我們自認為已經瞭解了宇宙中所有的粒子——只有希格斯粒子是個例外。

——摘自《你不可不知的50個物理知識》