2013
年诺贝尔物理学奖专题
探索上帝粒子与质量起源
何红建
†
邝宇平
(清华大学
近代物理研究所
高能物理研究中心
北京
100084)
God particle and origin of mass
HE Hong-Jian
†
KUANG Yu-Ping
(Institute of Modern Physics ,Center for High Energy Physics ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China)
摘要欧洲大型强子对撞机(LHC)上发现的125GeV 新希格斯粒子可能成为标准模
型预期的“上帝粒子” 。这一革命性发现开启了探索宇宙中一切基本粒子质量起源的新时代,成为21世纪粒子物理学的转折点 。文章着重介绍:(1)探寻上帝粒子的重大科学意义;(2)探索质量起源的历史,以及为什么牛顿力学和爱因斯坦相对论均未解决质量起源问题;(3)神秘的真空与希格斯机制;(4)上帝粒子是如何提出的和怎样在LHC 上发现的;(5)展望21世纪质量起源的探索与新物理定律的革命。
关键词
上帝粒子,质量起源,对称性破缺与希格斯机制,LHC,高能对撞机,
新物理探测,暗物质
Abstract The new Higgs boson discovered at the CERN LHC could be the God particle
expected from the standard model.This revolutionary discovery opens up a new era of exploring the origin of masses for all elementary particles in the universe.It becomes a turning point of the particle physics in 21th century.This article presents the following:(1)Scientific importance of searching and testing the God particle(s);(2)The history of studying the origin of mass,and why Newton mechanics and Einstein relativity could not resolve the origin of mass;(3)The mysterious vacuum and the mechanism of spontaneous symmetry breaking;(4)How the God particle was in-vented and how the LHC might have discovered it;(5)The perspective of seeking the origin of mass and new physics laws.
Keywords
God particle,origin of mass,symmetry breaking and Higgs mechanism,
LHC,high energy colliders,new physics searches,dark matter
2013-12-26收到
†
email :[email protected] DOI :10.7693/wl20140102
1一份沉甸甸的诺贝尔物理学奖
这是一份沉甸甸的诺贝尔物理学奖,它的颁
发直接源于2012年7月4日在欧洲核子研究中心(CERN)的新闻发布会上公布的振奋人心的实验结果:正在运行之中的大型强子对撞机(LHC)的两个实验组ATLAS 和CMS 宣布发现了一个质量为
125—126GeV 的疑似希格斯玻色子(Higgs boson)
的粒子,这大概就是物理学家们等待近半个世纪的“上帝粒子”(God Particle)[1] 。今年的诺贝尔物理学奖与众不同,特别引人注目,因为这个上帝粒子无比关键,它是宇宙中一切基本粒子的质量之源。
本文第一作者在这个发布会前的周末在CERN 的现场拍摄了一张照片(图1中左图),上面
除了参加合作的各个成员国飘扬的彩旗之外,还能看到厚重的乌云与阳光交错的天空和衔接云层的山峦,这很能够描述当时在即将揭开一个惊天秘密之前CERN的物理学家们的紧张与兴奋的心情。三天之后的7月4日新闻发布会现场,83岁高龄的英国理论物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)禁不住老泪纵横,在长达45年的耐心等待之后感叹道,“这真是我生命中最不可思议的奇迹”。英国物理学会主席彼得·奈特(Peter Knight)说,“LHC的这一成就堪与人类发现DNA和登陆月球媲美” 。图1中右边照片是希格斯与比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)在发布会现场兴奋交谈的情景,十分感人 。
2012年7月4日之后,LHC的运行马不停蹄,对撞机上的数据源源不断地发送到ATLAS和CMS组的计算机群里进行系统整理和分析,到了2012年底,已经积累了大约4倍于7月4日发布会的数据,在三个主要探测道中得到的结果继续证实了这个125—126GeV新粒子的存在,而且其主要性质与标准模型中预期的希格斯粒子基本一致 。紧接着,全世界奖金额度最高的“基础物理学奖”(Fundamental Physics Prize)委员会把300万美元的大奖颁给了对发现这个类希格斯粒子作出重要贡献的七位实验家,分别是Peter Jenni, Fabiola Gianotti(ATLAS),Michel Della Negra, Tejinder Singh Virdee,Guido Tonelli,Joe Incande-la(CMS)和Lyn Evans(LHC) 。2013年7月,欧洲物理学会又把具有“诺贝尔奖风向标”的高能与粒子物理学奖颁给了ATLAS与CMS两个合作组以及三位作出重要贡献的实验家Michel Della Negra,Peter Jenni和Tejinder Virdee 。其实,相关理论家的获奖要早得多 。Englert,Brout和Higgs三人在9年前就荣获声誉仅次于诺贝尔奖的Wolf物理学奖(2004);而美国物理学会又把2010年的理论物理Sakurai奖发给了与此相关的六位理论家(Englert,Brout,Higgs,Guralnik,Hagen, Kibble)。
到了2013年夏天,国际高能物理界一致预期2013年的诺贝尔物理学奖发给希格斯粒子或者希格斯机制(亦称BEH机制)已经没有任何悬念,具体问题是颁发给谁:是理论家?还是实验家?还是两者的组合?此疑难的谜底终于由瑞典皇家科学院在10月8日揭晓:弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯。诺贝尔奖委员会的颁奖贺辞中说,他们的获奖是因为“发现了一个理论机制,对人类理解基本粒子的质量起源作出了贡献;这个机制预言的粒子最近被CERN大型强子对撞机(LHC)上的ATLAS和CMS实验发现所证实”[2—6]。这一诺贝尔奖是众望所归,全世界物理同行为之庆贺 。唯一的遗憾是,恩格勒的合作者罗伯特·布劳特(Robert Brout)于2011年辞世,不幸与获奖无缘。LHC的这个新发现可能就是科学界已经盼望长达
图1左图是LHC发布会前的周末本文作者之一在CERN拍摄的阳光与乌云交错的天空和衔接云层的山峦,飘扬的彩旗来自参加LHC实验合作的CERN的成员国 。右图是2012年7月4日CERN LHC新闻发布会现场恩格勒与希格斯兴奋交谈的情景
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45年的“上帝粒子”?从而找到了所有基本粒子质量起源的线索?高能物理学界为了这个革命性发现的到来已经拼搏了近半个世纪,加之LHC 两个国际实验合作组共6000多人的辛勤工作,其科学意义和影响早已大大超出了一个普通诺贝尔奖所能褒奖的范畴 。因此,这是一份沉甸甸的诺贝尔物理学奖。CERN 主任罗尔夫·霍伊尔(Rolf Heu-er)在2012年7月4日的新闻发布会上总结道,“今天是历史性的里程碑,但还只是一个开始。”
2超越牛顿与爱因斯坦:质量如何起源
质量是什么?质量是怎样起源的?这个如此
基本而又古老问题至今仍是未解之谜 。
关于质量概念的科学定义可以追溯到弗兰西斯·培根(Francis Bacon)1620年出版的《新工具》一书,他把质量定义为物体所含物质的多少。牛顿(Isaac Newton)在《自然哲学之数学原理》一书中首次引入了惯性质量的概念,定义为物体惯性大小的量度 。牛顿第二定律表明,F =ma 或m =F /a ,即可对不同物体施以同样的力F ,从它们获得加速度a 的大小来测定质量大小。这种确定物体质量的方法就是根据惯性大小来量度的,故所测质量称为“惯性质量” 。质量的另一重要属性是量度物体引力作用的大小,表现出这一属性的质量称为“引力质量” 。牛顿万有引力定律揭示,任何两物体之间都有引力作用,其方向沿两物体(质点)连线,大小与两物体质量m 1和m 2乘积
成正比,与两者距离r 的平方成反比:F =G N m 1m 2/r 2,其中G N 为万有引力常数,质量m 1和m 2是引力之源,反映引力作用的大小,称为“引力质量” 。惯性质量和引力质量均是对“物质的多少”这一关于质量的基本内涵的刻画 。牛顿从自由落体实验和单摆实验中推断了引力质量与惯性质量的等价性。爱因斯坦(Albert Einstein)通过对自然界的敏锐洞察,由这个等价性出发推广了相对性原理,于1916年创建了广义相对论,奠定了现代物理学与宇宙学大厦的基础 。在此理论中,惯性质量与引力质量的严格等价性表明,引力的本质是一种惯性力。广义相对论在今天看来也只是一个有效理论,但依然是人类科学史上一个登峰造极之作 。
牛顿力学中不存在零质量的粒子,因为零质量在经典意义上意味着“物质的量”为零,即什么也没有 。但是,1905年爱因斯坦构建的狭义相对论是又一个划时代的杰作,它预言了以光速传播的粒子均有等于零的静止质量,并揭示了质量与能量的本质联系,由爱因斯坦震惊世界的方程式所刻画:E =mc 2或m =E /c 2,后者可以作为对粒子等效质量(常称动质量)的定义;很显然,m =E /c 2与粒子的运动速度有关。换言之,应该用粒子包含的能量来刻画“物质的量” 。静止质量为零的粒子(如光子)永远以光速运动,因此具有非零的能量,从而包含非零的“物质的量”:m =E /c 2 。
狭义相对论揭示,能量E 表征粒子所含物
图2探索质量本质的大师们。从左至右:培根(1561—1626),伽利略(1564—1642),牛顿(1643—1727),爱因斯坦(1879—1955)
质的量(m=E/c2),但它与粒子在具体过程中的运动速度相关,故不是普适常量。静止质量才是真正描述基本粒子内禀特性的普适常量 。粒子静止质量的平方等于其四维动量的平方,它是洛伦兹群的一个基本不变量,独立于参考系选取或粒子的运动状态 。仅仅知道这些还远远不够,我们要问:为什么自然界中有些粒子(如光子)的静止质量恰好严格为零?而另一些粒子(如电子)却具有非零静止质量?这些非零静止质量是如何起源的?这是牛顿力学与爱因斯坦相对论均无法回答的跨世纪难题
均无法回答的跨世纪难题!
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基本粒子物理学的“标准模型”
是描述宇宙中电 、弱 、强三种基本相互作用力的理论,从上世纪50年代发源以来取得了惊人的成功 。物理学家们为建造和奠定标准模型所做的系列工作已先后获得18次诺贝尔物理学奖 。这个理论包含两大基本对称性
论包含两大基本对称性:
:时空对称性(即洛伦兹对称性)和内部对称性(即规范对称性) 。洛伦兹对称性是时空中的一种整体对称性,它不对应于任何基本作用力 。而规范对称性是关于粒子系统内禀空间的局域对称性,每一种规范对称都对应于一种相互作用力。表征标准模型的强、弱、电三种基本作用力的规范对称群是SU(3)×SU(2)×U(1),通常简称“321”对称性。看来自然界非常喜欢简单与优美,而且异常节俭 。他用3个最小自然数来刻画自然界中三种基本作用力:(1,2,3)分别对应于电磁力、弱力和强力;传递这三种力的粒子是自旋为1的规范玻色子,分别称为光子(γ)、弱中间玻色子(W±,Z0)和胶子(g) 。所有参与相互作用的物质粒子是自旋1/2的费米子,包括三代夸克[(u,d),(c,s),(t,b)] 、轻子(e,μ,τ)和中微子(νe,νμ,ντ)。其中夸克(quark)带分数电荷(+2/3,-1/3)e,轻子(lepton)带电荷-e(这里e 为电子电荷的绝对值),中微子(neutrino)为电中性;这说明夸克和轻子参与电磁规范作用,而中微子不发光,只参加弱规范作用。此外,夸克和轻子均参与弱规范作用,只有夸克享用强规范作用 。我们在图3中对此作了直观表述,其中的每一条连线各自代表它所连接的费米子(夸克 、轻子)或者希格斯粒子与某一种规范玻色子发生相互作用。同一粒子上的封闭曲线表征该粒子自作用。
电磁力由著名的麦克斯韦方程定量描述 。1929年,数学家与理论物理学家赫尔曼·外尔(Hermann Weyl)发现这组方程具有阿贝尔U(1)局域规范对称性[7] 。理论家们在20多年后把它成功地发展为量子电动力学(QED,1965年诺贝尔奖)[8] 。60—70年代,理论家们逐步发现强力和弱力都是非阿贝尔规范作用[9]的不同表现形式 。强力是SU(3)的规范理论,称为量子色动力学(QCD,2004年诺贝尔奖)[10];弱作用与电磁作用由规范群SU(2)×U(1)统一描述,称为电弱统一理论(1979年诺贝尔奖)[11—13] 。引力也被确认为定域规范理论,而且是一种最复杂的规范理论,至今尚未找到成功的量子引力方案 。任何规范对称性均要求相应的规范玻色子的质量严格为零,除非它因某种原因被破缺。麦克斯韦方程组的电磁规范对称性确保光子质量严格为零。传递强力的胶子和传递引力的引力子质量为零,也是由于其相应的规范对称性所要求 。
图3标准模型:自然界所有基本粒子相互作用及其与希格斯粒子作用的图解
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标准模型规范群SU(3)×SU(2)×U(1)完全确定
了一切自旋1/2物质粒子通过交换三类规范粒子所发生的相互作用 。这些物质场均有非零质量 。1930年理论物理大师泡利(Walfgang Pauli)提出中微子时假设其质量为零,实验家们经历了将近70年的努力,终于在1998年通过大气中微子振荡实验首次发现了中微子具有微小非零质量,大小为0.1eV量级,大约是电子质量的500万分之一 。但是标准模型中由于规范对称性的限制,所有物质粒子均无法获得质量。这是因为自旋1/2费米子具有手征性(左手与右手),对应于自旋投影的两个分量,+1/2和-1/2;左手费米子处于弱作用规范群SU(2)二重态,右手费米子为SU(2)单态。无法形成满足弱规范对称性的质量项,所以其质量为零 。值得强调,弱作用力是短程力,因而其弱规范玻色子(W±,Z0)具有非零质量,大约为(80GeV,92GeV)(1983年诺贝尔奖)[14]。这意味着弱规范群必须被破缺。然而在此规范理论中人为放入(W±,Z0)质量项和费米子质量项会在量子修正计算中产生困难,使理论不可重整化 。这与电磁作用和强作用恰恰相反,其规范粒子(光子和胶子)质量严格为零,费米子的左右手分量参加相同的规范作用因而允许具有非零质量 。因此我们要问:为了符合实验观测结果,怎样才能使得弱规范玻色子和所有费米子获得质量呢?3真空与对称性破缺:南部的遗憾与希格斯们的幸运
解开弱规范玻色子和所有费米子质量起源的关键线索来自对称性自发破缺(spontaneous symmetry breaking)的重要概念 。这个概念源于1950年的Ginzburg—Landau超导理论(2003年诺贝尔奖)[15]和1957年的BCS(Bardeen—Cooper—Schrieffer)超导理论(1972年诺贝尔奖)[16]。1961年,著名理论家南部阳一郎(Yoichiro Nambu)从对超导性和BCS理论的研究中发现了对称性自发破缺的关键概念,并首次在相对论性量子场论中给予定量表述,提出了动力学模型(即Nambu—Jo-na—Lasinio模型)[17]描述对称性自发破缺(2008年诺贝尔奖),实现了费米子配对的真空凝聚,预言了零质量的南部—戈德斯通(Nambu—Goldstone)粒子,这是连续整体对称性自发破缺的直接后果,通常称为戈德斯通定理[18] 。1961年,南部与约纳-拉西尼奥(G.Jona-Lasinio)把这个机制应用于强作用的低能有效理论,分析核子(整体)手征对称性的自发破缺,推导了产生核子质量的能隙方程,成功解释了π介子作为赝南部—戈德斯通玻色子比核子具有更轻的质量[17,19] 。
南部在1959年7月23日寄给Phys.Rev.杂志的一篇文章中系统研究了超导中电磁规范不变性问题[20],但是他没有注意到规范对称性的自发破缺,即著名的迈斯纳(Meissner)效应[21],实质上是超导体内的光子因电磁规范对称性自发破缺获得了质量,使得外磁场进入超导体时发生指数衰减[22] 。所以,南部那时是距离发现“希格斯机制”和“希格斯玻色子”最近的理论家,他只差一小步,非常遗憾地错过了这一机会,不然这两个学名需要更名为“南部机制”和“南部玻色子” 。值得提到的是,南部正好是恩格勒—布劳特和希格斯于1964年夏天先后投到Phys.Rev. Lett.期刊上的两篇论文[2,3]的审稿人,是他在评审报告中请希格斯说明其论文与恩格勒—布劳特论文的关系,于是希格斯才注意到恩格勒—布劳特
图4希格斯势阱V(f):物理真空处于最低能量态,导致对称性自发破缺
的独立工作,并在论文中对此加了一个脚注[23] 。很显然,Phys.Rev.Lett.期刊的编辑选对了审稿人,南部迅速理解了这两篇文章及其物理意义,给予了公正评判,这也是恩格勒—布劳特和希格
斯的幸运 。我们无法知道南部当时审阅这两篇论文的心情,他是否为自己早在五年前提交的研究超导体电磁规范不变性的论文[20]中错过这一重大发现而遗憾呢?南部在2008年的诺贝尔奖演讲稿中提到[24],“BCS理论也能解释电磁场的伦敦质量的产生 。这个问题通过希格斯标量场变得简单。”由此看来,后来南部的确领悟了BCS超导中发生的电磁场获得质量的希格斯机制,这就是电磁U(1)规范对称性的自发破缺 。
在相对论性量子场论体系中,连续整体对称性自发破缺最简单的实现是考虑可重整的复标量场f的势能函数V(f)=-μ2|f|2+λ|f|4,选取它的二次质量项与四次自作用项反号,从而导致势函数在基态(能量最低态)偏离原点,位于非零真空凝聚<f>≠0,如图4所示 。沿着简并真空基态的激发产生零质量南部—戈德斯通玻色子,而沿着f场的径向激发产生质量不为零的希格斯玻色子。注意到标量势函数V(f)具有某种连续整体对称性,而系统的真空基态因标量场凝聚<f>≠0导致了对称性自发破缺 。图4中的原点保持系统的对称性,但已成为一个势能极大值点,无法稳定,系统的基态将位于势阱的一个特殊位置,处于最低能量的简并真空态,从而破坏了整体对称性。沿着势阱低谷的简并真空态的激发对应于零质量的南部—戈德斯通粒子。需要强调,希格斯场产生的凝聚<f>≠0遍布整个宇宙真空 。在真空中传播的粒子(如弱规范玻色子 、夸克和轻子)只要与希格斯场发生耦合,就不得不因“粘滞”效应变慢速度并获得非零质量。
早在49年前,三个研究组[2—4]分别考察了这个标量场耦合到规范场的后果,他们的分析表明:零质量南部—戈德斯通玻色子转换为规范场
的纵向极化分量,于是给规范场产生非零质量。这个巧妙的机制一箭双雕:不仅消除了严格零质量的南部—戈德斯通玻色子,而且使规范粒子获得质量,规范力因此变为短程力。这就是著名的“希格斯机制”(见图5)。理论物理大师史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)1967年[11]率先将希格斯机制引入电弱相互作用,给出弱规范玻色子质量,完成了电弱统一理论。虽然文献[2—4]包含6位理论家,但因一些偶然的历史因素,这个机制被冠以英国人彼得·希格斯的名字[25] 。
4上帝粒子的诞生与LHC的新突破
恩格勒—布劳特和希格斯等人的文章[2—4]既未研究电弱理论弱规范玻色子的质量产生,也未分析费米子质量的产生 。标准模型中所有费米子的质量是通过与希格斯场的汤川相互作用(Yukawa interaction)[19]产生的,这是温伯格1967年论文率先提出的[11] 。正是因为标准模型的希格斯粒子同时给出弱规范玻色子和所有费米子(夸克
夸克、
、轻子和中微子)的质量
的质量,
,才成为名符其实的
才成为名符其实的“
“上帝粒子”。所以,预言“上帝粒子”,温伯格居功至首 。但是,汤川相互作用也是标准模型中最不可靠的地方之一,因为它的任意性太大,每一种费米子都有独立的汤川耦合常数,完全是自由参数,只有输入费米子质量的实验值才能确定。1973年,小林诚(Makoto Kobayashi)和益川敏英(Toshihide Maskawa)表述了标准模型三代费米子质量矩阵对角化诱导的带电弱规范流包含的3×3混合矩阵,揭示了唯一一个可观测CP相位,成为标准模型的一个要素,被实验证实(2008年诺贝尔奖)[26]。但是,这并没有对希格斯与费米子的
图5希格斯机制:规范场获得质量(左图)和希格斯粒子与规范场的耦合顶角(右图)
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汤川耦合给出任何检验 。
值得注意的是,标准模型希格斯场的非零真空凝聚<f >由刻画弱作用力的费米常数G F 唯一确定:<f >=(22G F )-1/2=174GeV 。这恰好是弱规范玻色子质量的尺度,即102GeV 量级 。费米常数G F 是标准模型中唯一具有质量量纲的参数。(另一个具有质量量纲的基本常数来自于刻画引力相互作用的牛顿引力常数G N =1/M P 2,它确定了普朗克能量尺度M P =1.2×1019GeV ,这是自然界已知的最高能量尺度 。)在标准模型中,希格斯场的一个基本特征是保证高能散射S 矩阵元的幺正性,由此幺正性可进一步推导出希格斯粒子质量的上限为(32π/3)1/2<f >=103GeV =1TeV
[27]