赋予物质质量的粒子

希格斯玻色子是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子。物理学家希格斯提出了希格斯机制。在此机制中，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。...



希格斯玻色子是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子。物理学家希格斯提出了希格斯机制。在此机制中，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。

宇宙因它而没有坍塌

标准模型

粒子物理学在上个世纪50年代，经历了一个短暂的困难时期，按照诺贝尔奖得主，电弱统一理论提出者之一的斯蒂芬·温伯格的话来说那是“一个充满挫折与困惑的年代”，几乎当时已经应用的理论都遇到了很大的问题。这些困惑激励着物理学家们给出新的解答，从60年代开始，基于杨-米尔斯的非阿贝尔规范场理论，逐步构建完成了现代的标准模型理论。今天，标准模型早已成为粒子物理学的主流理论，它的很多预言不断为一个又一个激动人心的实验成果所证实。标准模型是一套描述强作用力、弱作用力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。它属于量子场论的范畴，但是没有描述重力。

标准模型包含费米子及玻色子两类——费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不相容原理（这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态）的粒子；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不相容原理。简单地说，费米子组成物质的粒子，而玻色子负责传递各种作用力。电弱统一理论与量子色动力学在标准模型中合并为一。这些理论都基于规范场论，即把费米子跟玻色子配对起来，以描述费米子之间的力。由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中都不变，所以这些中介玻色子就被称为“规范玻色子”。

标准模型所包含的玻色子有：负责传递电磁力的光子；负责传递弱核力的W及Z玻色子；负责传递强核力的8种胶子。

根据标准模型理论，宇宙空间中的各处，无论是真空中还是空气中，甚至是物质的内部，都充满了希格斯粒子(希格斯场)。希格斯粒子被认为是生成基本粒子的“质量”之源。虽然质量总是与“重量”联系在一起，严格说起来是不一样的。质量应该是反映“物质运动的难易程度”（更为正确的说法是“改变物质速度的难易程度”）的物理量。希格斯玻色子也是一种玻色子，然而它与上述这些规范玻色子不同，希格斯粒子负责引导规范变换中的对称性自发破缺，是惯性质量的来源，因此并不是规范玻色子。那么为何质量问题如此重要呢？要解答这个问题，必须回到20世纪60年代理论探索的开始阶段。在研究过程中，杨-米尔理论无论应用到弱还是强相互作用中所遇到的主要障碍就是质量问题，由于规范理论规范对称性禁止规范玻色子带有任何质量，然而这一禁忌却与实验中的观测不相符合，如果不能解决质量问题，将使得整个研究失去基础。一开始人们试图通过自发对称破缺机制，即打破规范理论中对拉氏量对称性的严格要求，使得物理真空中的拉氏量不再满足这种对称性，然而到了1962年，每一个自发对称性破缺都被证明必定伴随着一个无质量无自旋粒子，这无疑也是不可能的。1964年，英国物理学家希格斯（Higgs）解决了这个问题，使得自发对称性破缺发生时，那个无质量无自旋粒子仍然存在，但它将变成规范粒子的螺旋性为零的分量，从而使规范粒子获得质量。这一方法被今天的标准模型所借鉴，标准模型通过引入基本标量场——希格斯场来实现所谓希格斯机制。通过希格斯场产生对称性破缺，同时在现实世界留下了一个自旋为零的希格斯粒子。

这样我们也就明白了为何希格斯粒子如此重要的原因，可以说它是整个标准模型的基石，如果希格斯粒子不存在，将使整个标准模型失去效力。

希格斯场

根据希格斯模型，基本粒子是跟一种看不见的、无所不在的场发生相互作用而获得了质量。一个粒子与希格斯场相互作用越强烈，它拥有的质量就越大。科学家很难向英国政府解释清楚希格斯场，所以在1993年，英国科学部长威廉·瓦多格列佛向科学家发起了挑战，让他们用一页纸的篇幅向他解释希格斯场。瓦多格列佛拿出了一瓶香槟奖给了获胜者，其中就包括英国伦敦大学学院的物理学家戴维·米勒。米勒把希格斯场比作一个房间，房间里均匀分散着一大群为政客聚会服务的工作人员。一个无关紧要的人可以不受阻碍地在人群中穿来穿去。然而，如果是时任英国首相撒切尔夫人到场，一定会吸引大量的关注：聚会工作人员会围拢在她周围，减慢她穿行的速度，使她带上某种“质量”。

研究意义

GeV/c^2是基本粒子质量的一个单位，其中GeV是10亿电子伏特，c^2是光速的平方。根据爱因斯坦的质能公式，物质的能量等于质量乘以光速的平方，因此，以电子伏特为单位的能量除以光速的平方，就用来衡量粒子的质量。

希格斯玻色子是物理学基本粒子“标准模型”理论中最后一种未被发现的基本粒子，其自旋为零，其他粒子在希格斯玻色子作用下产生质量，为宇宙形成奠定基础。迄今为止，“标准模型”预言的其他粒子都已发现，但希格斯玻色子的存在尚未在实验中证实，它又被称为“上帝粒子”。一旦研究证实希格斯玻色子不存在，“标准模型”理论将被推翻。

现有的理论对希格斯玻色子的质量完全不能预言。这次欧洲科学家发现的新粒子，它的质量约为氢原子核的 133 倍，如果将来证实它确是希格斯玻色子，这就是一个很重要的结果。这个结果为我们将来研究基本粒子理论提供了指导性的方向。例如，在众多的未来需要探索的问 题中，一个可能的方向就是，研究为什么有一种玻色子（甚或就是希格斯玻色子），它的质量是氢原子核的 133 倍。

可以期待，这次进展将使标准模型有关希格斯玻色子的部分，通过理论和实验，在研究上进一步完善和发展。现在有关希格斯玻色子的研究，定性方面就有了一定的基础，但定量还基本没有。物理学的研究，不仅仅满足于定性的研究，还要探索定量的研究，而且是非常精确的定量研究，定量要越准确越好，使得科学知识达到准确、精密的程度。

另外一个重要的理论意义，是对未来宇宙早期演化的研究具有重要的推动作用。也就是说，希格斯玻色子的研究不仅能促进我们对微观世界的理解，也能促进我们对宇观尺度的理解。这也是基础物理学里一个很有趣的现象——极小尺度的现象与极大尺度的现象具有一些微妙的连接。比如说，早期宇宙某个时段的能量标度和我们现在加速器上微观粒子的能量标度是接近的（注：现在的宇宙由于自身膨胀、能量衰减，其能标已经很低了）。这次发现的新粒子的质量是氢原子核的 133 倍，如果证实是希格斯玻色子，这也是宇宙学进一步开展研究的重要的能量标度。至于这次发现的现实意义，我有一个这样的看法：好像是一个艺术家，做出了一个很完美的艺术品，这也许和我们日常生活，吃、喝、用，不见得有什么直接联系；但是，在精神上，在科学的理解上，满足了大家的好奇心和对真知的追求，如同我们对艺术审美的需求一样。

这次的科学进展，使我们在寻找希格斯玻色子的征途上又前进了一大步，使人们知道标准模型在希格斯玻色子这一块定性的想法看来还是不错的。随着研究深入和完善，将来物理学的标准模型将进一步完善和发展，这将使得人类对自然界的认识登上一个新的高峰、铸就一个新的里程碑。

《三分钟科学》最简化的方式了解希格斯玻色子

（新闻）诺贝尔物理奖：授予揭晓上帝粒子研究者

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