希格斯玻色子

定义

希格斯玻色子是标准模型中一种自旋为 0、宇称为正的基本玻色子，不带电荷，也不带色荷，是希格斯场的量子激发^[3]。在量子场论的图景里，场与粒子互为表里，若把希格斯场比作充满空间的介质，希格斯玻色子就是这种介质中的激发或振动^[4]。

它最特殊的地方在于能“分辨”其他粒子的质量：某基本粒子与希格斯场的耦合越强，得到的质量就越大^[2]。就已知粒子而言，它是唯一自旋为零的基本粒子^[1]。标准模型无法预言它的质量，其数值只能由实验测定，这也是标准模型中最后一个被确定的参数^[1]。

原理

按照希格斯机制，宇宙空间充满希格斯场。这一场的势能形状使得真空的稳定态并不唯一，场在其中取得非零的真空期望值，弱电规范对称性随之自发破缺^[5]。破缺带来两个后果：原本必须无质量的规范玻色子经由“吃掉”戈德斯通玻色子而获得纵向自由度与质量，同时留下一个有质量的标量粒子，即希格斯玻色子^[3]。

在数学上，希格斯场的真空期望值 $v$ 与自耦合常数 $\lambda$ 决定了标量粒子的质量，可写作 $m_H=\sqrt{2\lambda}\,v$，其中 $v$ 约为 246 GeV^[6]。费米子则通过汤川耦合与希格斯场作用而获得质量，耦合常数与费米子质量成正比，因此顶夸克是耦合最强的费米子^[7]。这条机制解释了为何传递电磁力的光子没有质量，而传递弱相互作用的 W、Z 玻色子却很重^[8]。

希格斯玻色子与希格斯场之间的关系，可以借观测海浪推断海洋存在作类比：找到这种粒子，即可反证场的存在^[9]。实验上对它的辨识也依赖同一逻辑：它寿命极短，预测的平均寿命约为 $1.56\times10^{-22}$ 秒，无法直接被记录，只能通过分析其衰变产物重建出的不变质量峰来捕捉^[10]。

发展历程

1964 年，3 组研究者几乎同时独立发表了把局域规范不变性与自发对称性破缺结合起来、使规范玻色子获得质量的论文：比利时的弗朗索瓦·恩格勒与罗伯特·布绕特、英国的彼得·希格斯，以及美国的杰拉德·古拉尼、卡尔·哈庚与英国的汤姆·基博尔^[11]。其中希格斯的第二篇短文在末段点出了存在一个带质量、自旋为零的玻色子的可能性，这种粒子后来以其姓氏命名^[12]。这些工作发表后并未立即引起重视，直到 20 世纪 70 年代被纳入电弱统一理论，机制才逐渐被主流接受^[2]。

由于理论给不出质量预言，实验只能逐段排除可能的质量区间。20 世纪 80 年代起，欧洲核子研究组织的大型正负电子对撞机与美国费米国家实验室的质子—反质子对撞机先后加入搜寻^[2]。1988 年诺贝尔物理学奖得主莱德曼在其科普著作中把这种粒子称作“上帝粒子”，此后媒体沿用该说法^[5]。

搜寻的决定性进展来自瑞士与法国边境地下、周长 27 千米的大型强子对撞机，其主要目标之一即验证希格斯粒子是否存在^[2]。2012 年 7 月 4 日，对撞机上的 ATLAS 与 CMS 两个实验分别公布结果：CMS 测得约 125.3 GeV 的新玻色子，ATLAS 测得约 126.5 GeV，显著度均达到 5 个标准差，达到宣布“发现”的标准^[13]。同年 12 月，美国《科学》杂志把这一发现列为年度十大科学突破之首^[14]。

2013 年 3 月 14 日，欧洲核子研究组织正式宣布先前观测到的新粒子为希格斯玻色子，其零自旋与偶宇称符合理论预期^[15]。同年，诺贝尔物理学奖授予恩格勒与希格斯，颁奖词特别提及 ATLAS 与 CMS 实验的验证贡献^[1]。此后对撞机进入对粒子性质的精确测量阶段，2012 年发现的粒子补上了标准模型的最后一块拼图^[2]。

应用

希格斯玻色子本身没有工程意义上的用途，它的价值在于充当检验理论的工具。测量其产生截面与衰变分支比，可以直接检验标准模型对粒子质量与耦合的预言^[16]。第一轮数据中，$H\to ZZ\to 4\ell$ 与 $H\to\gamma\gamma$ 两个衰变道给出的观测显著度分别约为 6.5 与 5.6 个标准差，质量测量精度达到 0.2%^[16]。

耦合测量是对理论最直接的检验。ATLAS 基于第二轮运行数据得到的信号强度为 $\mu=1.05\pm0.06$，与标准模型预期的 1 相符；多数耦合常数的测量误差已进入 10% 以内^[16]。希格斯衰变为 2 个 μ 子的观测则为它同较轻费米子的作用提供了证据，此前对希格斯—费米子相互作用的观测都只涉及底夸克、顶夸克和 τ 粒子等较重粒子^[17]。

这类测量服务于对更基本理论的探索。任何与标准模型预言的偏离都可能指向尚未发现的新粒子，例如希格斯粒子的衰变率会严格限制质量低于它的新粒子是否存在，物理学家也在搜寻标准模型所禁止的衰变方式^[1]。为把耦合精度推进到百分之几，国际上提出了以正负电子对撞为手段的“希格斯工厂”方案，中国提出的环形正负电子对撞机即属此类设想^[18]。

局限

标准模型虽然因希格斯机制而自洽，却无法说明这套机制为何如此。希格斯场的真空期望值与普朗克能标相差约 16 个数量级，量子修正按理会把希格斯质量推得极高，这一“等级问题”至今没有公认解答^[6]。此外，标准模型不能纳入引力，也不能解释中微子质量和暗物质^[17]。

把 125 GeV 的希格斯质量与顶夸克质量一并代入计算，会得到电弱真空并非绝对稳定、而是处于亚稳态的结论，可能经量子隧穿衰变到更低的能量状态^[19]。这一外推依赖顶夸克质量、强耦合常数等高精度输入，也依赖普朗克能标处是否存在新物理，因而结论带有相当不确定性；而且按现有参数估计，真空寿命远超宇宙年龄^[20]。

实验方面同样存在边界。强子对撞本底很大，现有的耦合测量误差在 10% 左右，尚不足以判定所发现的粒子是标准模型预言的希格斯粒子，还是其他模型（例如最小超对称标准模型）中的某一个希格斯粒子^[19]。理论本身也不排除存在多个希格斯粒子的可能，究竟有几个仍需实验回答^[17]。

参见

• 标准模型 —— 希格斯玻色子是该理论预言的最后一种基本粒子，也是其质量机制的基石

• 希格斯机制 —— 通过自发对称性破缺赋予基本粒子质量的机制

• 大型强子对撞机 —— 2012 年发现希格斯玻色子的加速器装置

• 欧洲核子研究组织 —— 运行大型强子对撞机并宣布发现结果的机构

• 彼得·希格斯 —— 1964 年提出相关机制、粒子以其姓氏命名的理论物理学家

• 自发对称性破缺 —— 希格斯机制得以成立的核心物理概念