为什么物理家如此关注寻找希格斯波色子？

zhixun

译者：APRIL_21
发布：2012-11-27 11:23:26

一个可能是希格斯波色子的粒子，正在串联式直线加速器检测系统衰变为μ介子。图为串联式直线加速器检测系统实验/欧洲核子研究组织
如果你曾听说过希格斯波色子，那么你可能知道这种粒子极其特别，因为它能解释基本粒子是如何获取质量的。具体来说，波色子存在的证据便是无处不在的希格斯场存在的证据——希格斯场能将粒子减速并使它们变重。
但是在这个解释中通常会混进一个误解。希格斯场不能解释所有质量的来源。“许多无知的物理学家多少年都在说着这个”克里斯·魁格说，他是费米国家加速器实验室的理论物理学家。
“我们了解到大部分的质量来源是中子(例如)已经有一段时间了”，魁格说。大部分质量——包括你自己的质量——来源于强作用力，是保持原子核聚集的大自然之力。
如果你对于被愚弄并庆祝找到一个拥有极少含义的粒子的话，完全不必!“事实上比你想象的更加刺激，当你听完整个故事后，了解其对称性及定理，以及感觉这是可行的，你将会更惊奇”，哥伦比亚大学的物理学家蒂姆安丁说。有个更加复杂的问题牵涉其中，这个问题对于自然中力的作用有更宏大的提示。希格斯给予质量的机制是解释关于 “弱电相互作用的对称性自发破缺”这一谜题的关键。在你将眼光撇开之前，让我们将这个词组分为几部分解释。
当你想到对称性的时候，你可能会想到漂亮的脸蛋，古典建筑，以及画图基础课。物理学家以同一性(不变性)角度考虑对称。例如，因为我们在不同的地方做实验而得到同样的结果，我们可以知道宇宙是空间对称的。物理定律也不随时间而改变，因此宇宙也是时间对称的。这些对称性与宇宙中的定理不可分割的相连在一起，例如动量与能量守恒。如果你碰到一个对称性，那么必然伴随一个守恒——反过来也是如此。
“自发的”在这里，表示一定数量的随机性——没有什么是事先设定的。想象去一个晚餐聚会，在一个圆桌旁坐下，但是发觉没人知道到底该拿左手边的面包卷或是右手边的面包卷。在某个时刻，某个人将会拿起一个卷——自发的打破了摆设的对称性。
弱电表示自然中的两种力：电磁力——统一了电和磁，以及弱力——掌管放射衰变。为什么这两种力搅在一起了?物理学家一直以来都试图统一自然界的力，因为单一的解释更简单更优雅，也因为在极高能量下，这些力看起来成为了一种单一的力。
1960年左右，许多物理学家在试图调解电磁力和弱力，将它们统一进一个定律。具体来说三个物理学家——谢尔顿李格拉肖，阿卜杜勒萨拉姆和史蒂文温伯格——发展了一个称作“弱电理论”很好的发展了我们队电磁力统一弱力的理解。
但是理论学家仍碰到了个小麻烦。为了统一这些力，他们需要引进一组携带力的粒子，使得弱力能够补充光量子——携带电磁力的无质量粒子。为了电磁力和弱力统一，它们的力携带者必须是对称的。其结果是，它们都不能有质量。
但是却发现，携带弱力的粒子(W和Z波色子)的确有质量。事实上，它们很重。希格斯机制(由除了皮特希格斯外若干理论学家提出以及发展的理论)提供了一个解决方法。这个机制为，当希格斯场与W和Z波色子互动的时候，希格斯场自发地打破对称性，而该对称性能保持W和Z无质量。所以(通过打破对称性)它掩盖了这些粒子无质量的本性。因此寻找希格斯，是统一自然之力更大诉求的一部分，它所提示的信息将横扫执掌宇宙的众多定理。
还有一个关于我们为什么要关注希格斯波色子的理由。魁格写过很多关于无希格斯宇宙的后果。他指出当格拉肖，萨拉姆和温伯格正在解答关于希格斯机制如何帮助统一电磁力和弱力的时候，他们意识到，除了将质量赋予重力携带者外，希格斯或许也能够将质量给予其他基本粒子。因此电子的质量是来源于希格斯场。 没有这个质量，电子也不会紧紧包围在原子核形成原子。“而且这也将意味着没有价键理论，因此基本上化学这个学科就会消失”魁格说“也将没有固体结构或者生命的模板。”