希格斯玻色子

希格斯玻色子是標準模型裡的一種基本粒子，是一種玻色子，自旋為零，宇稱為正值，不帶電荷、色荷，極不穩定，生成後會立刻衰變。希格斯玻色子是希格斯場的量子激發。根據希格斯機制，基本粒子因與希格斯場耦合而獲得質量。假若希格斯玻色子被證實存在，則希格斯場應該也存在，而希格斯機制也可被確認為基本無誤。:401-405物理學者用了四十多年時間尋找希格斯玻色子的蹤跡。大型強子對撞機，這兩種粒子極像希格斯玻色子。2013年3月14日，歐洲核子研究組織發表新聞稿正式宣佈，先前探測到的新粒子暫時被確認是希格斯玻色子，具有零自旋與偶宇稱，這是希格斯玻色子應該具有的兩種基本性質，但有一部分實驗結果不盡符合理論預測，更多資料仍在等待處理與分析。希格斯玻色子是因物理學者彼得·希格斯而命名。他是於1964年提出希格斯機制的六位物理學者中的一位。2013年10月8日，因為“次原子粒子質量的生成機制理論，促進了人類對這方面的理解，並且最近由歐洲核子研究組織屬下大型強子對撞機的超環面儀器及緊湊緲子線圈探測器發現的基本粒子證實”，弗朗索瓦·恩格勒、彼得·希格斯榮獲2013年諾貝爾物理學獎。概述.}-本篇文章將希格斯玻色子簡稱為「希子」。標準模型.在粒子物理學裡，標準模型是一種被廣泛接受的框架，可以描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子。除了引力以外，標準模型可以合理解釋這世界中的大多數物理現象。:49-52:603-604早期的標準模型所倚賴的規範場論闡明，基本力是源自於規範不變性，是由規範玻色子來傳遞。規範場論嚴格規定，規範玻色子必須不帶有質量，因此，傳遞電磁相互作用的規範玻色子應該不帶有質量，可是實驗證實W玻色子與Z玻色子的質量不為零，這顯示出早期模型不夠完善，因此須要建立特別機制來賦予W玻色子、Z玻色子它們所帶有的質量。:372-373希格斯機制.在1960年代，幾位物理學者研究出一種機制，其能夠利用自發對稱性破缺來賦予基本粒子質量，同時又不會牴觸到規範場論。這機制被稱為希格斯機制，希格斯機制已被實驗證實。但是，物理學者仍舊不清楚關於希格斯機制的諸多細節。這機製假定宇宙遍佈著希格斯場，其能夠與某些基本粒子相互作用，並且利用自發對稱性破缺使得它們獲得質量。相關理論在70年代被納入粒子物理學的標準模型。希格斯玻色子.希子是伴隨著希格斯場的帶質量玻色子，是希格斯場的量子激發。假若能證實希子存在，就可以推論希格斯場存在，就好像從觀察海面的波浪可以推論出海洋的存在。不僅如此，希格斯機制也可被確認為基本無誤。在那時期，雖然還沒有任何直接證據可以證實希格斯粒子存在，由於希格斯機制所給出的準確預測，物理學者認為，希格斯機制極有可能正確無誤。到了1980年代，希格斯粒子的存在與否已成為在粒子物理學裡最重要的未解決的物理學問題之一。:7-9標準模型明確指出，希子的存在很難證實。與其它粒子相比較，製造希子需要極大的碰撞能量，必須建造超級粒子加速器來提供這樣大的能量，而且，每一次碰撞製造出其它粒子的可能性比製造出希子的可能性大很多，即使希子被製成，它也會非常迅速地衰變成別的粒子，因此難以被檢測到，只能倚靠辨認與分析衰變產物，才可推斷出它們大概是源自於希子，而不是源自於其它粒子。此外，很多其它種衰變過程也會顯示出類似的跡象，這使得尋找希子有如大海撈針。只有依靠先進的超級粒子加速器與精準的探測器，物理學者才可觀測數之不盡的粒子碰撞事件，將獲得的紀錄資料加以分析，尋找出希子的蛛絲馬跡，然後再進一步分析，計算希子存在的可能性，確定所得到的結果絕對不是來自偶發事件。再華麗、再精緻的理論，也需要透過實驗加以證實，才會被正式接受，否則只能視為高談大論。物理學者很希望能夠證實希子是否存在。但是，早先從實驗得到的資料只能讓他們判別希子是否可能存在於某個質量值域。為了彌補這不足，歐洲核子研究組織在瑞士建成了大型強子對撞機。它是全世界最先進的粒子加速器。它的主要研究目標之一就是證實希子是否存在。2013年，LHC的物理學者已確定發現希子，這發現強烈支援某種希格斯場瀰漫於空間。當今，LHC仍舊在如火如荼地蒐集資料，試圖明白希格斯場的性質。理論發展史.物理學者認為物質是由基本粒子組成，這些基本粒子彼此之間相互影響的基本力有四種。根據規範場論，為了滿足局域規範對稱性，必須引入傳遞基本力的規範玻色子。特別而言，傳遞電磁力的規範玻色子就是光子。1954年，楊振寧與羅伯特·米爾斯試圖將這關於電磁力的點子延伸至其他種基本力，他們提出了楊-米爾斯理論，但是規範場論預測規範玻色子的質量必須為零，而零質量玻色子傳遞的是類似電磁力的長程力，不適用於像弱核力或強核力一類的短程力。:212怎樣才能夠使得傳遞短程力的規範玻色子獲得質量？物理學者在凝聚態物理學的超導理論裡找到重要暗示。1950年，俄國物理學者維塔利·金茲堡與列夫·郎道提出金茲堡-朗道理論，他們建議，在超導體裡，瀰漫著一種特別的場，能夠使得光子獲得有效質量，但他們並沒有明確地描述這特別場。1957年，約翰·巴丁、利昂·庫珀、約翰·施裡弗共同建立了BCS理論，他們認為，由電子組成的庫珀對，形成了這特別場。規範對稱性被這特別場隱藏起來，因此造成自發對稱性破缺──雖然對稱性仍舊存在於描述這物理系統的方程式，但是方程式的某種解並不具有這對稱性。:213-215南部陽一郎於1960年將自發對稱性破缺的概念引入粒子物理學。他建議，假定夸克與反夸克的質量為零，則生成它們的能量成本很低，如同電子們在超導體裡凝聚為庫珀對，它們會在真空裡凝聚為夸克對，使得強相對作用的手徵對稱性被打破，夸克會因此獲得質量。他又指出，在這機制裡，還會出現一種新的零質量玻色子，即π介子，由於上夸克、下夸克的質量不等於零，π介子的實際質量不等於零，只是比其他種介子的質量都輕很多。:669-670:31962年，傑福瑞·戈德斯通提出戈德斯通定理，對於這類零質量玻色子的性質給予描述。根據這定理，當連續對稱性被自發打破後必會生成一種零質量玻色子，稱為戈德斯通玻色子。帶質量粒子比較難製成，粒子加速器必須使用很高的能量來碰撞製成帶質量粒子。零質量粒子案例跟重質量粒子案例不同，零質量粒子很容易製成，或者可從缺失能量或動量推測其存在。然而，事實並非如此，物理學者無法做實驗找到其存在的任何蛛絲馬跡，這事實意味著整個理論可能有瑕疵。:378-3811963年，菲利普·安德森發表論文指出，對於非相對論性的超導體案例，假若是規範對稱性被打破，則不一定會出現戈德斯通玻色子，他進一步猜測，這機制應該可以加以延伸來處理相對論性案例，但他並沒有明確地給出一個相對論性案例。這論述遭到未來諾貝爾化學獎得主沃特·吉爾伯特強烈反對。:31964年，弗朗索瓦·恩格勒和羅伯特·布繞特領先於8月，緊接著，彼得·希格斯於10月，隨後，傑拉德·古拉尼、卡爾·哈庚和湯姆·基博爾於11月，這三個研究小組分別獨立地發表論文，宣佈研究出相對論性模型。古拉尼於1965年、希格斯於1966年、基博爾於1967年，又分別更進一步發表論文探討這模型的性質。這三篇1964年論文共同表明，假若將區域性規範不變性理論與自發對稱性破缺的概念以某種特別方式連結在一起，則規範玻色子必然會獲得質量。1967年，史蒂文·溫伯格與阿卜杜勒·薩拉姆各自獨立地應用希格斯機制來打破電弱對稱性，並且表述希格斯機制怎樣能夠併入稍後成為標準模型一部分的謝爾登·格拉肖的電弱理論。溫伯格指出，這過程應該也會使得費米子獲得質量。:3關於規範對稱性的自發性破缺的這些劃時代論文，最初並沒有得到學術界的重視，因為大多數物理學者認為，非阿貝爾規範理論是個死衚衕，無法被重整化。1971年，荷蘭物理學者馬丁紐斯·韋爾特曼與傑拉德·特·胡夫特發表了兩篇論文，證明楊-米爾斯理論可以被重整化，不論是對於零質量規範玻色子，還是對於帶質量規範玻色子。自此以後，物理學者開始接受這些理論，正式將這些理論納入主流。:5從這些理論孕育出的電弱理論與改善後的標準模型，正確地預測了弱中性流、W玻色子、Z玻色子、頂夸克、魅夸克，並且準確地計算出其中一些粒子的性質與質量。很多在這領域給出重要貢獻的物理學者後來都獲得了諾貝爾物理學獎與其它享有聲望的獎賞。發表於《現代物理評論》的一篇1974年文章表示，至今為止，這些理論推導出的答案符合實驗結果，但是，這些理論到底是否正確仍舊無法確定。:9,36(footnote),43–44,47 權威著作《希格斯狩獵者指南》的作者指明，標準模型擁有驚人的成功。現今，粒子物理學的核心問題就是了解希格斯區的相關理論。物理評論快報1964年-{zh-hans:里程碑;zh-tw:里程碑}-論文.六位物理學者分別發表的三篇論文，在《物理評論快報》50週年慶祝被公認為-{zh-hans:里程碑;zh-tw:里程碑}-論文。2010年，他們又榮獲理論粒子物理學櫻井獎。同年，在他們之間，又發生了一點爭執，萬一因此獲得諾貝爾物理學獎，由於每一年只能授予給三位傑出人士，而現在有六位人士做出了關鍵貢獻，到底應該頒發物理學最榮譽的獎給哪三位人士？1964年8月，恩格勒團隊發表了三頁論文，他們假定存在有複值標量場，其數值在量子真空裡不等於零，然後使用費曼圖方法演示出規範玻色子怎樣獲得質量。恩格勒團隊並沒有提到任何關於希子的資訊。:221-222稍後，希格斯獨立發表論文概述怎樣能夠應用局域規範對稱性來迴避戈德斯通定理，他並沒有給出模型明確顯示戈德斯通玻色子被抵銷。不久之後，希格斯發表第二篇論文，他更仔細的表述這迴避方法，給出一個可行模型，並且用這模型演示出規範向量場怎樣吃掉戈德斯通玻色子，因此獲得質量。他將這篇論文被呈送給《物理快報》，但是令人驚訝地沒有被接受。他無法理解，為什麼同樣的學術刊物，會接受一篇關於「帶質量規範玻色子可能存在」的論文，又會否決一篇描述「帶質量規範玻色子實際模型」的文章。希格斯不因此而氣餒，他又添加了一些內容，從他給出的模型，他預測另外存在一種帶質量玻色子，後來知名為「希格斯玻色子」:223-224希格斯的1966年論文推匯出希子的衰變機制；只有帶質量玻色子可以衰變，假若找到衰變的跡象，就可以證實希子存在。:4-5古拉尼團隊論文提到了恩格勒團隊與希格斯先前分別獨立發表的論文。古拉尼團隊論文是唯一對於整個希格斯機制給出完整分析的論文。這論文也推匯出希子的存在，但是希格斯的希子具有質量，而古拉尼團隊的希子不具有質量，這結果令人疑問兩種希子是否相同。在2009年與2011年發表的兩篇論文中，古拉尼解釋，在古拉尼團隊給出的模型裡，取至最低階近似，玻色子的質量為零，但是這質量的數值沒有被任何理論限制；取至較高階，玻色子可以獲得質量。希格斯機制不但解釋了規範玻色子怎樣獲得質量，還預測這些玻色子與標準模型的費米子之間的耦合。經過在大型正負電子對撞機做精密測量實驗，很多預測都已經核對證實，因此確認大自然實際存在這一機制。但物理學者仍舊不清楚希格斯機制到底是怎樣發生，他們希望能從尋找希子所得到的結果獲得一些這方面的證據。理論.量子力學的真空與一般認知的真空不同。在量子力學裡，真空並不是全無一物的空間，虛粒子會持續地隨機生成或湮滅於空間的任意位置，這會造成奧妙的量子效應。將這些量子效應納入考量之後，空間的最低能量態，是在所有能量態之中，能量最低的能量態，又稱為基態或「真空態」。最低能量態的空間才是量子力學的真空。描述物理系統的方程式所具有的對稱性，這最低能量態可能不具有，這現象稱為自發對稱性破缺。在標準模型裡，為了滿足局域規範不變性，規範玻色子的質量必須設定為零；但這不符合實驗觀察結果──W玻色子與Z玻色子都已經透過做實驗檢驗確實擁有質量。因此，這些玻色子必須倚賴其它種機制或作用來獲得質量。如右圖所示，假定有一種遍佈於宇宙的複值希格斯場 formula_1 ，而希格斯勢與希格斯場 formula_1 的關係形狀好似一頂墨西哥帽，最低能量態不在帽頂，而是在帽子谷底，在這裡有無窮多個簡併的最低能量態，其對應的希格斯場不等於零。每一個最低能量態位置都不具有旋轉對稱性。在這無窮多個最低能量態之中，只有一個最低能量態能夠被實現，旋轉對稱性因此被打破，造成自發對稱性破缺，因此使規範玻色子獲得質量，同時生成一種零質量玻色子，稱為戈德斯通玻色子，而希子則是伴隨著希格斯場的粒子，是希格斯場的振動。但這戈德斯通玻色子並不符合實際物理。透過選擇適當的規範，戈德斯通玻色子會被抵銷，只存留帶質量希子與帶質量規範玻色子。總括而言，利用自發對稱性破缺，使得規範玻色子獲得質量，這就是希格斯機制。在所有可以賦予規範玻色子質量，而同時又遵守規範理論的可能機制中，這是最簡單的機制。:378-381按照希格斯機制，複值希格斯場，自由度守恆。費米子也是因為與希格斯場相互作用而獲得質量，但它們獲得質量的方式不同於W玻色子、Z玻色子的方式。在規範場論裡，為了滿足局域規範不變性，必須設定費米子的質量為零。透過湯川耦合，費米子也可以因為自發對稱性破缺而獲得質量。:689ff標準模型希子的性質.稍微複雜一點，但更實際一點，在最小標準模型，希子不具有自旋。希子不帶電荷，是自己的反粒子，具有CP-偶性。:401-405:7,8標準模型並沒有預測希子的質量。假若質量在115和180 GeV之間，則能量尺度直到普朗克尺度能夠具有的質量的尺度上限是1.4 TeV；超過此上限，標準模型變得不相容，因為對於某些散射過程違反了麼正性。現今，學術界有超過一百種不同關於希格斯質量的理論預測。理論而言，希子的質量或許可以間接估計。在標準模型裡，希子會造成一些間接效應。最值得注意的是，希格斯迴路會造成W玻色子質量和Z玻色子質量的小額度修正。透過整體擬合從各個對撞機獲得的精密電弱資料，可以估計希子的質量為，或小於，置信水平95%。:12-14希子可能會與前面提到的標準模型粒子相互作用，但也可能會與詭秘的大質量弱相互作用粒子相互作用，形成暗物質，這在近期天文物理學研究領域裡，是很重要的論題。希子的製備.粒子對撞機嘗試透過碰撞兩束高能量粒子的方式來製備希子。實際物理反應依使用的粒子與碰撞能量而定。最常發生的反應為希子的衰變.在量子力學裡，假若粒子有可能衰變成一組質量較輕的粒子，則這粒子必會如此衰變。衰變發生的機率與幾種因素有關：質量差值、耦合強度等等。標準模型已將大多數這些因素設定，希子質量是一個例外。假設希子質量為，則標準模型預測平均壽命大約為。由於希子會與每一種「已知」帶質量基本粒子相互作用，希子有很多種不同的衰變道。每種衰變道都有其發生的機率，稱為分支比，定義為這種衰變道發生的次數除以總次數。右圖展示出，標準模型預測的幾種不同衰變模式的分支比與質量之間的關係。在這幾種希子衰變道之中，有一種衰變道是分裂為費米子反費米子對。對於希子衰變，產物質量越大，則耦合強度越大。:401-405因此，希子比較可能衰變為較重的費米子，希子應該最常衰變為頂夸克反頂夸克對。但是，這種衰變必須遵守運動學約束，即希子質量必須大於，頂夸克質量的兩倍。假設希子質量為，則標準模型預測最常發生的衰變為底夸克反底夸克對，機率為56.1%。第二常發生的衰變是陶子反陶子對，機率為6%。希子也有可能分裂為一對帶質量規範玻色子。對於這模式，希子最有可能衰變為一對W玻色子，假設希子質量為，則機率為23.1%。在這之後，W玻色子可以衰變為夸克與反夸克，或者，衰變為輕子與微中子。這最後一種模式不能被重建，因為無法探測到微中子。希子衰變為一對Z玻色子會給出較乾淨的訊號，若果Z玻色子會繼續衰變為易探測的帶電荷輕子反輕子對。假設希子質量為，則機率為2.9%。希子還可能衰變為零質量膠子，但是中間需要經過夸克圈。對於這模式，最常會經過頂夸克圈，因為頂夸克最重，也因為如此，雖然這是個單圈圖，它發生的衰變機率仍舊可觀，不容忽略。假設希子質量為，則機率為8.5%。比較稀有的是希子衰變為零質量光子，機率為0.2%，這過程中間需要經過費米子圈或Ｗ玻色子圈。由於光子的能量與動量可以非常準確地測量，衰變粒子的質量可以準確重建出來。所以，在探索低質量希子的實驗中，這過程非常重要。:10另類模型.所有應用希格斯機制來解釋質量問題的模型中，最小標準模型只設定了一個複值二重態希格斯場，是最簡單的標準模型。其它模型的希格斯場可能會被延伸成具有更多二重態或三重態。雙希格斯二重態模型設定了兩個複值二重態希格斯場，是在所有其它種模型中比較受到認可的模型，主要原因為:195雙希格斯二重態模型預言標量粒子的存在：兩個CP-偶性的中性希子 h0、H0，一個CP-奇性的中性希子 A0，和兩個帶電荷希子 H+、H-。不同版本的2HDM與最小標準模型的分辨方法主要建立於它們的耦合常數與希格斯衰變的分支比都不相同。在模型I裡，一個二重態能與所有種類的夸克耦合，另一個二重態則不能與任何夸克耦合。在模型II裡，一個二重態能與上型夸克的希格斯機制產生的希子數量最少。在最小標準模型裡，希子質量基本而言是一個自由引數，只要小於TeV能量尺度就行。在MSSM裡，最輕的CP-偶性的中性希子h0的質量上限大約為110-。假若希子質量在左右，則MSSM的模型引數會被強列約束。在藝彩理論作為最佳命名。“香檳酒瓶的瓶底正好是希格斯勢的形狀，而且它常常在物理講座中被用來作為圖解。因此它絕非胡亂編造的名字，而是便於記憶、與物理實際相關的名字。”