粒子 【前沿物理】发现上帝粒子的现实意义！为何这么牛？

去年，物理学上最大的新闻是发现了希格斯玻色子——或者至少是零自旋、衰变产物和其他与希格斯玻色子具有相同特征的新粒子。这也是2012年物理最大的进步。判断这个粒子的依据是信号出现在125-126 G电子伏的质量附近，置信度达到5，意味着置信度大于99.99994%。

为什么希格斯玻色子如此重要？主要有两个原因。第一是它是标准模型中唯一未被发现的粒子，因为它质量最高，而且加速器的能量以前吹不出来，只有LHC能。第二个原因是它不同于我们熟悉的电子、光子、夸克等基本粒子。它是一个奉献者，也是其他粒子静止质量的来源。

如果没有希格斯玻色子，世界会是什么样子？在这样的世界里，因为没有静止质量(像光子)，所以所有的基本粒子都在以光速运动。因为基本粒子之间的传输和相互作用的速度是光速，这意味着很难存在一个由夸克组成的稳定的原子核。如果一个电子的剩余质量为零，就意味着不可能形成原子和分子。这样宇宙中就不会有各种行星，更不会有生命。

如何比较希格斯粒子向其他基本粒子提供质量的原理？希格斯粒子的发现完善了粒子物理的标准模型，该模型以量子场论为基础，是量子力学和狭义相对论的结合。在量子场论中，所有粒子都是分布在空之间的场。场的最低能态称为“真空态”。随着能量的增加，出现了单粒子态、双粒子态、三粒子态等。而这个“真空态”也不是没有，因为场的最低能量不是零。希格斯场与所有其他基本粒子场的不同之处在于，在宇宙诞生的那一刻，真实空状态经历了一次瞬间的破裂，变成了现在的样子。正是这个时刻给了每个基本粒子(除了光子和胶子)静止质量。

前天在CERN发现的希格斯玻色子是希格斯场真空对称破缺的产物，也可以说是希格斯场给其他基本粒子以静止质量后剩余部分对应的粒子。这部分也会和很多粒子相互作用产生衰变，所以可以被衰变产物探测到。当然，它不会再给基本粒子静止质量了，因为它是在宇宙产生之初给的。

在粒子世界里，自旋为整数的粒子叫做玻色子，比如光子，胶子的自旋都是1。自旋为半整数的粒子称为费米子，电子、夸克、中微子的自旋都是1/2。希格斯粒子属于玻色子，因为它的自旋为0，是唯一自旋为0的玻色子。

希格斯玻色子在理论上是如何预测的？主要原因来自于量子场论的两个成果，物理学家一开始并没有看到。借用一个讲故事的风格:花开两朵，我们各看一朵。第一个是与杨振宁先生关系密切的杨-米尔斯理论，第二个是戈德斯通定理。

杨振宁先生在物理学上最重要的贡献不是发现了与李政道先生的宇称非守恒，当然也不是娶了比他小54岁的妻子。他最重要的贡献是20世纪50年代米尔斯提出的杨-米尔斯场论。杨-米尔斯场论不允许静止质量的玻色子存在，而且当时的实验结果表明，传输弱相互作用的玻色子具有质量，所以杨-米尔斯场论一直没有受到重视。

另一方面，杰弗里·戈德斯通在1962年证明了一个真空态有一个自发对称性破缺的标量场(自旋=0的场)，它会伴随着一个质量、电荷和自旋为零的粒子。自然，自然界没有这样的粒子，所以戈德斯通定理一开始只是被当作一个数学游戏。

杨-米尔斯场论和戈德斯通定理命运相同。1964年，量子场论出现了重大突破。布鲁特、恩格尔特和希格斯的工作使这两个屌丝理论一夜之间变成了高富帅理论。他们发现这两个理论是完美互补的！杨-米尔斯场论通过一些限制性条件(学名规范对称性)限制了玻色子的形式。希格斯等人在戈德斯通定理中证明了这些玻色子在对称性破缺后与标量场相互作用，会得到静止质量。同时，其余的标量场对应于自旋为0但质量静止的粒子。有些熟悉？没错，这就是希格斯机制和希格斯玻色子！

这就是希格斯机制的意义，省去了杨-米尔斯场论和戈德斯通定理，一举两得。进一步研究可以发现，电子、夸克等费米子也可以通过希格斯机制获得静止质量。之后，温伯格、萨拉姆和格拉乔通过希格斯机制实现了电磁相互作用和弱相互作用的统一，获得了1979年诺贝尔物理学奖。

粒子物理的标准模型是包括希格斯机制和描述强相互作用的量子色动力学(QCD)在内的电弱统一理论。希格斯机制需要希格斯玻色子的存在。一旦找不到希格斯玻色子，就需要修改标准模型。物理学家必须给出其他理由来解释杨-米尔斯规范玻色子和费米子的质量来源。两种模型都比希格斯机制复杂。

7月4日发布的新粒子，CERN表示通过分析数据，可以确定95%以上的概率是标准模型中的希格斯玻色子。作为标准模型中实验发现的最后一个粒子，可以说公布的结果标志着标准模型实验证据的完善。但标准模型并不是物理世界的终极理论，因为它的基础——量子场论本身并不是终极物理理论。

在较小的时间空尺度下，基本粒子可能符合超对称的量子场论，而标准模型只是它在稍大尺度下的近似。如果时间空尺度小于普朗克尺度，可能是超弦理论和其他包含引力的更深层次的理论主宰了世界。当然，找到相应的实验证据需要更大、更贵、更耗能的加速器，甚至可能超过人类文明的极限。

无论如何，人类仍在探索宇宙最基本的单位，LHC的下一个目标是验证超对称性。超对称性是费米子和玻色子之间的深层内在联系。如果存在，基本粒子数会翻倍，三维空不再满足要求。超弦理论是超对称弦理论的组合，要求空是九维甚至十维。人类的空观念会改变。

最后还要补充一点，媒体总是用“上帝粒子”来代表希格斯玻色子。事实上，诺贝尔物理学奖得主莱德曼(Lederman)想把希格斯玻色子称为“该死的粒子”，这让物理学家很头疼。出版商觉得不合适，改成了“神粒子”。换句话说，不要认为希格斯玻色子真的和上帝有什么关系。

标签：