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希格斯玻色子

Wikipedia · 2026-05-28 维基百科 👁 1 阅读

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，而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
在粒子物理學裏，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。

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，{{noteTag|規範不變性指的是物理系統對於規範變換的不變性。例如，在電磁學裏，對電勢V與磁向量勢\mathbf{A}做規範變換
:V'=V-\frac{\partial \lambda}{\partial t}、
:\mathbf{A}'=\mathbf{A}+\nabla\lambda，

其中，\lambda是任意函數。

這動作不會改變電場與磁場。}}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（光子）不帶有質量。光子的質量的確經實驗證實為零。藉此類推，傳遞弱相互作用的規範玻色子（W玻色子、Z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。}}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。

這機制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。

再華麗、再精緻的理論，也需要通過實驗加以證實，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，早先從實驗得到的數據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（LHC）。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，這發現強烈支持某種希格斯場瀰漫於空間。當今，LHC仍舊在如火如荼地蒐集數據，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。

1964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，宣布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，假若將局部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。溫伯格指出，這過程應該也會使得費米子獲得質量。 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周年慶祝文獻裏被公認為-{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？（結果，弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯獲得了2013年諾貝爾物理學獎。）

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（即希格斯場），其數值在量子真空裏不等於零，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信息。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」

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。這論文也推導出希子的存在，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裏，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。經過在大型正负电子对撞机（LEP）和史丹佛線性加速器（SLAC）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
。帽頂為希格斯勢的局域最大值，其希格斯場為零（\phi=0）；帽子谷底的任意位置為希格斯勢的最小值，其希格斯場不為零（\phi>0）。對於繞著帽子中心軸 \hat{z} 的旋轉，帽頂的位置不變，而帽子谷底的任意位置會改變，因此帽頂具有旋轉對稱性，而帽子谷底的任意位置不具有旋轉對稱性。]]

量子力學的真空與一般認知的真空不同。在量子力學裏，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。

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。在规范场论裏，為了滿足局域規範不變性，必須設定費米子的质量為零。通過湯川耦合，費米子也可以因為自發對稱性破缺而獲得質量。

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（minimal standard model）裏，希格斯場是複值二重態，是由兩個複值標量場，或四個實值標量場組成，其中，兩個帶有電荷，兩個是中性。在這模型裏，還有四個零質量規範玻色子，都是橫場，如同光子一樣，具有兩個自由度。總合起來，一共有十二個自由度。自發對稱性破缺之後，一共有三個規範玻色子會獲得質量、同時各自添加一個縱場，總共有九個自由度，另外還有一個具有兩個自由度的零質量規範玻色子，剩下的一個自由度是帶質量的希子。三個帶質量規範玻色子分別是W+、W-和Z玻色子。零質量規範玻色子是光子。由於希格斯場是標量場（不會因勞侖茲變換 而改變），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。

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（1019 GeV）上限，標準模型都有效。希子（或其他的電弱對稱性破缺機制）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么正性。

理論而言，希子的質量或許可以間接估計。在標準模型裏，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。通過整體擬合從各個對撞機獲得的精密電弱數據，可以估計希子的質量為，或小於，置信水平95%。

希子可能會與前面提到的標準模型粒子相互作用，但也可能會與詭祕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裏，是很重要的論題。

希子的製備
粒子對撞機嘗試通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

*膠子融合：膠子是負責傳遞強交互作用的玻色子。它們把重子內部的夸克捆綁在一起。假若碰撞粒子為重子，例如，在兆電子伏特加速器裏的質子與反質子，或在大型強子對撞機裏的質子，則最有可能發生兩個膠子（g ）碰撞在一起。製備希子最簡單的方法就是兩個膠子碰撞後，經過虛夸克圈而形成希子。由於希子與粒子的耦合跟粒子的質量成正比，粒子質量越大，融合反應越容易發生。實際而言，只需要考慮虛頂夸克（t ）與虛底夸克（b ）的貢獻，它們是質量最大的兩種夸克。在兆電子伏特加速器、大型強子對撞機裏，這是主要反應，比任何其它反應的發生次數多十倍以上。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（mean lifetime）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（branching ratio），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（呈線性或平方關係）。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（one-loop diagram），而不是樹圖（tree-level diagram），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%。超對稱模型（SUSY）是標準模型的一種延伸，屬於2HDM模型II。在超對稱模型中，最小超對稱模型（MSSM）的希格斯機制產生的希子數量最少。在最小標準模型裏，希子質量基本而言是一個自由參數，只要小於TeV能量尺度就行。在MSSM裏，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的模型參數會被強列約束。

在藝彩理論（）裏，兩個強烈束縛的費米子所形成的粒子對扮演了希格斯場的角色。頂夸克凝聚理論（）提出希格斯場被頂夸克與反頂夸克共同組成的複合場替代的概念。有些模型完全不提供希格斯場，電弱對稱性破缺是倚賴額外維度來達成。

實驗探索
為了要製成希子，在粒子對撞機裏，兩道粒子束被加速到非常高能量，然後在粒子探測器裏相互碰撞，有時候，異乎尋常地，會因此生成產物希子。但是希子會在生成後會在非常短暫時間內發生衰變，無法直接被探測到，探測器只能記錄其所有衰變產物（「衰變特徵」），從這些實驗數據，重建衰變過程，假若符合希子的某種衰變道，則歸類為希子可能被生成事件。實際而言，很多種過程都會出現類似的衰變特徵。很慶幸地是，標準模型精確地預言所有可能衰變模式與對應的或然率，假若探測到更多能夠匹配希子衰變特徵的事件，而不是更多不同於希子衰變特徵的事件，則這應該是希子存在的強烈證據。

在大型強子對撞機裏，由於粒子碰撞生成希子的事件機率非常稀有，大約為百億分之一，

2012年7月4日以前的探索
最早大規模搜尋希子的實驗設施是歐洲核子研究組織的大型正負電子對撞機，它在1990年代開始運作，直到2000年為止，但它並沒有找到希子的確切存在證據，這是因為它的專長是精密測量粒子的性質。{{noteTag|月球繞著地球公轉時，它的引力所造成的潮汐現象，會使得LEP粒子軌道的總長度（~27km）每天延伸或收縮達1mm，這麼微小的差異也能夠被LEP夠測量得到。這意味著假若希子存在，則它應該會重於。

費米實驗室的兆電子伏特加速器繼承了先前搜尋希子的任務。1995年，它發現了頂夸克。為了搜尋希子，設施的功能被大大提升，但這並不能保證兆電子伏特加速器會發現希子。在那時期，它是唯一正在運作中的超級對撞機，大型強子對撞機正在建造，超導超大型加速器計畫已於1993年取消。歷經多年運作，兆電子伏特加速器只能對於更進一步排除希子質量值域做出貢獻，由於能量與亮度無法與建成的大型強子對撞機競爭，於2011年9月30日除役。從分析獲得的實驗數據，兆電子伏特加速器團隊排除希子的質量在100-、147-以內，置信水平95%。在能量115–之間區域，超額事件的統計顯著性為2.5個標準差，這對應於在550次事件中，有一次事件是歸咎於統計漲落。這結果仍舊未能達到5個標準差，因此不能夠作定論。

歐洲核子研究組織的大型強子對撞機（LHC）的設計目標之一為能夠確認或排除希子的存在。在瑞士日內瓦附近鄉村的地底下，圓周為27 km的坑道裏，兩個質子束相撞在一起，最初以每質子束（總共），大約為兆電子伏特加速器的3.6倍，未來還可提升至（總共）。根據標準模型，假若希子存在，則這麼高能量的碰撞應該能夠將它揭露出來。這是史上最複雜的科學設施之一。在開啟測試後僅僅九天，由於磁鐵與磁鐵之間電接連缺陷，發生磁體失超事件，造成50多個超導磁鐵被毀壞、真空系統被汙染，整個運作被迫延遲了14個月，直到2009年11月才再度重新運作 。

2010年3月，LHC開始緊鑼密鼓地進行數據搜集與分析。2011年12月，LHC的兩個主要粒子探測器，超環面儀器（ATLAS）和緊湊緲子線圈（CMS）的實驗團隊，已將希子的可能質量值域縮小至115-130 GeV（ATLAS）與117-127 GeV （CMS）。另外，ATLAS在質量范围125-探測到超額事件，統計顯著性為3.6個標準差，CMS在質量范围探測到超額事件，統計顯著性為2.6個標準差。由於統計顯著性並不夠大，尚無法做結論或甚至正式當作一個觀察事件。但是，兩個探測器都獨立地在同樣質量附近檢測出超額事件，這事實使得粒子物理社團極其振奮，期望能夠在檢驗完畢2012年的碰撞數據之後，於明年年底排除或確認標準模型希子的存在。CMS團隊發言人吉多·桐迺立（Guido Tonelli）表示：「統計顯著性不夠大，無法做定論。直到今天為止，我們所看到的與背景漲落或與玻色子存在相符合。更仔細的分析與這精心打造的巨環在2012年所貢獻出的更多數據必定會給出一個答案。」

發現新玻色子
2012年6月22日，歐洲核子研究組織發表聲明，將要召開專題討論會與新聞發布會，報告關於尋找希子的最新研究結果。不消一刻，謠言傳遍了新聞媒體，記者們與一些物理學者紛紛猜測歐洲核子研究組織是否會正式宣布證實希子存在。

7月4日，歐洲核子研究組織举行專題討論會与新闻发布会宣布，緊湊緲子線圈发现质量为的新玻色子，标准差为4.9；超環面儀器发现质量为126.5GeV的新玻色子标准差为4.6。物理學者认为这两个粒子可能就是希子。歐洲核子研究組織的所长说：“从一个外行人的角度来说，我们已经发现希子了；但从一个内行人的角度来说，我们还需要更多的数据。”

一旦將其它種類的緊湊緲子線圈相互作用納入計算，

如此規格的證據，通過兩個被隔離團隊與實驗的獨立確定，已達到確定發現所需要的正式標準。歐洲核子研究組織的治學態度非常嚴謹，不願意引人非議；歐洲核子研究組織表明，新發現的粒子與希子相符，但是物理學者尚未明確地認定這粒子就是希子，仍舊需要更進一步蒐集與分析數據才能夠做定論。和超環面儀器的126.0 GeV（統計誤差：±0.4、系統誤差：±0.4、統計顯著性：5.9個標準差）。

2013年3月14日，歐洲核子研究組織發佈新聞稿表示，先前探測到的新粒子是希子。以下列出幾個檢試這125GeV粒子是否為希子的實驗項目：
*玻色子：只有玻色子才能夠衰變為兩個光子。從實驗已觀常到這125GeV粒子能夠衰變為兩個光子，因此，這粒子是玻色子。排除零自旋奇宇稱假說，置信水平超過99.9%。
*衰變道：標準模型已對希子的衰變模式給出詳細預測，這包括雙光子道、W^+W^- 道、ZZ 道、b\overline{b} 道、\tau^+\tau^- 道。LHC已於2013年觀察到雙光子道、W^+W^- 道、ZZ 道，證實希格斯場可以與玻色子相互作用。對於這些模式，實驗初始得到的分支比（branching ratio）或衰變率結果稍微高過預期值，意味著這粒子的物理行為可能更為怪異，但是，CMS團隊領導約瑟·英侃德拉（Joseph Incandela）認為，這分歧並不嚴峻。
*與質量相耦合：希子必須能夠通過希格斯場與質量相耦合，也就是說，與W玻色子、Z玻色子相耦合。對於標準模型希子而言，所涉及的耦合常數 c_V=1 。從分析LHC實驗得到的數據， c_V 在標準模型數值的 15%內，置信水平95%。{{noteTag|取至最低階，希子與W玻色子、Z玻色子之間的耦合拉格朗日量為

“上帝粒子”
美国物理学家、1988年诺贝尔物理学奖获得者利昂·莱德曼曾著有粒子物理方面的科普书籍《上帝粒子：如果宇宙是答案，那么问题是什么？》，后来媒体也沿用了这一称呼，常常将希子称作是“上帝粒子”（The God Particle）。这一称呼激起了公众媒体对于希子的关注和兴趣。不过他也开玩笑地补充说另一个原因是“图书出版商不让他把这粒子称作‘該死的粒子（Goddamn Particle）’，尽管这別稱可能更恰当地表達了希子杳無蹤跡的性质以及人们为之所付出的代价與遭受到的挫折感。”
然而，许多科学家却不喜欢这一称呼，因为它过分强调了这粒子的重要性和太宗教化。而且即使这粒子被发现，物理學者仍舊無法回答一些關於強相互作用、电弱相互作用、引力相互作用的统一化问题，以及宇宙的起源問題；

参見
*希格斯機制
*希格斯場
*希格斯玻色子的實驗探索
*探尋希格斯玻色子時間軸
*玻色-愛因斯坦統計

註釋
參考資料
外部链接

#基本粒子 #粒子物理学 #標準模型 #电弱理论 #質量 #2010年代科学

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