希格斯粒子存在的預(yù)測與希格斯機(jī)制的研究
——2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)簡介

2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 由彼得·希格斯(Peter Higgs)和弗朗索瓦·昂格勒(Francois Englert)獲得．獲獎(jiǎng)理由是“理論性發(fā)現(xiàn)了一種機(jī)制，有助于我們理解亞原子粒子質(zhì)量的起源，最近歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)ATLAS和CMS的實(shí)驗(yàn)，對預(yù)測中的粒子進(jìn)行了確認(rèn)”．

圖1 彼得-希格斯

現(xiàn)年84歲，1929年5月29日出生英國的理論物理學(xué)家，愛丁堡大學(xué)榮譽(yù)退休教授，他以希格斯機(jī)制與希格斯粒子而聞名于世．其希格斯機(jī)制理論也是于1964年提出．

圖2 弗朗索瓦-恩格勒

現(xiàn)年80歲，1932年11月6日出生比利時(shí)的理論物理學(xué)家．1964年，恩格勒和羅伯特·布繞特(已故)共同提出希格斯機(jī)制與希格斯玻色子理論．

1 希格斯粒子與希格斯機(jī)制的引進(jìn)

在20世紀(jì)60年代初，由于許多物理學(xué)家的研究，建立了粒子物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，這個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)模型”在統(tǒng)一描述強(qiáng)力、弱力和電磁力三種基本力，基本粒子家族、物質(zhì)的組成等方面相當(dāng)成功．但是，“標(biāo)準(zhǔn)模型”是Su(1)×Su(2)×Su(3)規(guī)范對稱理論，而規(guī)范對稱的方程得出來的粒子的質(zhì)量應(yīng)為零，這與實(shí)驗(yàn)不符．已知的粒子大部分都有質(zhì)量，這些粒子質(zhì)量從何而來？一時(shí)間，研究了幾十年的規(guī)范理論走入了困境，這個(gè)理論得出了一個(gè)沒有質(zhì)量的世界．

物理學(xué)家們不愿意放棄規(guī)范理論，而又要使某些粒子得到質(zhì)量，正是在這種歷史背景下，提出了希格斯粒子與希格斯機(jī)制．這種機(jī)制被3個(gè)研究小組幾乎同時(shí)提出：1964年，恩格勒和羅伯特·布繞特(Robert Brout，已故)共同提出希格斯機(jī)制與希格斯玻色子理論．同年，彼得·希格斯在《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表文章，提出希格斯機(jī)制理論．另一組研究者，杰拉爾德·古拉爾尼克(Gerald Guralnik)、迪克·哈根(Dick Hagen) 和湯姆·基布爾(Tom Kibble)也在同一年獨(dú)立提出類似的結(jié)果．

希格斯機(jī)制的基本思想是假設(shè)宇宙中存在一種無處不在的希格斯場，當(dāng)它與其他規(guī)范粒子相作用的時(shí)候，因希格斯場的真空態(tài)不為零而產(chǎn)生自發(fā)對稱破缺，使規(guī)范粒子獲得質(zhì)量，同時(shí)產(chǎn)生出一個(gè)帶有質(zhì)量的希格斯玻色子．

后來，有人認(rèn)為，在宇宙大爆炸剛發(fā)生時(shí)，無數(shù)的正反粒子同時(shí)產(chǎn)生，輕子和夸克通過與希格斯場的相互作用而獲得質(zhì)量．因而希格斯場粒子是輕子與夸克的質(zhì)量之源，具有非常重要的地位，所以，科學(xué)界稱希格斯粒子為“上帝粒子”．

2 希格斯粒子存在的實(shí)驗(yàn)證明

20世紀(jì)80年代，在美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，發(fā)現(xiàn)了傳遞弱相互作用的中間玻色子W+,W-,Z0．1985年他們又發(fā)現(xiàn)了頂夸克t．至此，人們認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的62種粒子中的61種都得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，唯獨(dú)關(guān)鍵的希格斯粒子沒有找到，這不能不令人遺憾．因此，有不少人懷疑希格斯粒子的存在，其中，著名物理學(xué)家霍金就是代表性人物．

希格斯粒子到底是否存在，需要用實(shí)驗(yàn)作出證明．2010年3月歐洲核子研究中心(CERN)建成大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)并開始運(yùn)行 ．此對撞機(jī)位于瑞士和法國交界處，加速器軌道長27 km,設(shè)計(jì)能量達(dá)14萬億電子伏(14 TeV)．2011年12月13日，大型強(qiáng)子對撞機(jī)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別獨(dú)立在質(zhì)量為125 GeV附近，偵測到希格斯玻色子可能出現(xiàn)過的跡象．之后，2012年7月4日，LHC 兩個(gè)主要團(tuán)隊(duì)——ATLAS與CMS的科學(xué)家宣布：發(fā)現(xiàn)了一種新的亞原子粒子，可能是人們苦苦尋找的希格斯粒子．但科學(xué)家同時(shí)表示，還需做許多工作來最后確定.2012年7月31 日，上述兩個(gè)團(tuán)隊(duì)公布了關(guān)于發(fā)現(xiàn)疑似“上帝粒子”的研究論文，其中詳細(xì)描述了新發(fā)現(xiàn)粒子衰變成γ射線、W和Z玻色子等物理過程．

2013年3月14日，歐洲核子研究組織發(fā)布新聞稿表示，先前(2012年7月)探測到的新粒子就是希格斯玻色子．

3 與2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)有關(guān)的故事

對“希格斯粒子存在的預(yù)測與希格斯機(jī)制的研究”作出貢獻(xiàn)的是三個(gè)小組共6位物理學(xué)家．為什么僅希格斯赫赫有名，而提出“布勞特-昂格勒-希格斯機(jī)制”的另外兩位物理學(xué)家卻鮮為人知？為什么獲獎(jiǎng)的只是希格斯和昂格勒二人？這與一段故事有關(guān)．

3.1 三個(gè)小組共6位物理學(xué)家的工作

1964年有關(guān) “希格斯”機(jī)制的主要論文共有4篇發(fā)表(見表1)．這三組科學(xué)家獨(dú)立地探討了場的對稱性自發(fā)破缺機(jī)制，推測規(guī)范粒子可能通過這種方式獲得質(zhì)量．

表1 有關(guān)希格斯機(jī)制的4篇奠基性論文

3.2 溫伯格的失手與希格斯的盛名

1967年美國頂級(jí)物理學(xué)家溫伯格(Steven Weinberg)發(fā)表了探討弱核力與電磁力的統(tǒng)一性的一篇論文，其中，悉數(shù)引用了表1的4篇文章，他不經(jīng)意地把希格斯排在了其他人的前面．由于參考文獻(xiàn)一般只能顯示每篇引文的期刊名稱、年份、卷號(hào)和頁碼，因此讀者如果不去查原文的話，根本無法判斷希格斯發(fā)表在《物理快報(bào)》(Phys. Lett.)的論文比其他3篇發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Phys. Rev. Lett.)的論文是早還是晚．由于大家對于溫伯格的信任.就將希格斯的《物理快報(bào)》文章當(dāng)作“希格斯”機(jī)制的開山之作，從而，希格斯獲得了盛名．

3.3 諾貝爾獎(jiǎng)的有關(guān)規(guī)定

按規(guī)定，諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)不得超過3人分享，而且該獎(jiǎng)項(xiàng)也不能被追授，這就排除了在2011年去世的Robert Brout，而另一組3名科學(xué)家不易遴選出1人，因此均不考慮.這樣一來，恩格勒和希格斯就成為今年諾貝爾物理獎(jiǎng)的當(dāng)然人選.

以上故事說明一種歷史現(xiàn)象：觀眾視野中的事物表現(xiàn)，與事物的真實(shí)狀況可能有些不同，有些甚至相差很遠(yuǎn)．