希格斯机制解释宇宙质量来源

恩格勒（左）与希格斯。新华社发

　　2013年的诺贝尔物理学奖众望所归地颁给了希格斯机制的证实。原定于北京时间10月8日17时45分公布的诺贝尔物理学奖，推迟了一个小时。

　　对于大众来说，奖项公布推迟了一个小时，对于罗伯特·布鲁特（Robert Brout）来说，却迟到了两年甚至更多。与恩格勒合作提出希格斯机制的他，已在2011年去世，没能等到诺贝尔奖的颁发。

　　●南方日报记者 李秀婷

　　迟到的荣誉

　　这样一个虚无缥缈难觅踪影的基本粒子，却耗费了无数科学家半个世纪的苦苦寻找。中山大学物理科学与工程技术学院副教授张宏浩介绍，在粒子物理学中，描述基本粒子相互作用的模型被称为粒子物理标准模型。如今希格斯粒子被捕捉到，标准模型就完成了最后一块拼图。

　　1964年，比利时物理学家罗伯特·布鲁特和弗朗索瓦·恩格勒（Fran ois Englert）首次提出了量子场方程，这种无形的场弥漫于整个宇宙，使得粒子得到了质量，从而形成了如今的宇宙。相应的机制被称为“希格斯机制”。

　　一个月后，英国物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）提出了同样的方程，并且指出这个场中的涟漪会表现为一种新的粒子。这种粒子被命名为“希格斯粒子”，又被称为“上帝粒子”。

　　同年稍晚些时候，杰拉德·古拉尼（Gerald Guralnik）、卡尔·哈庚（Carl Hagen）和汤姆·基博尔（Tom Kibble）将这些概念整合成了一种更为现实的理论——这就是标准模型的前身。

　　半个世纪后的2012年7月份，希格斯机制被欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）的ATLAS和CMS两个实验证实。恩格勒和希格斯因此被授予了今年的诺贝尔物理学奖，他们如今已经分别是81岁和84岁的高龄了。

　　而与恩格勒合作首先提出这个机制的布鲁特，已经在两年前去世。根据诺贝尔奖的规则，每年的诺贝尔物理学奖最多只能发给3位仍然在世的科学家。

　　其实我们不必为布鲁特感到遗憾。一项得到诺贝尔奖的成就往往不是一个人的功劳。世人仍会将敬意投向没等到颁奖的他，还有因为获奖规则而被跳过的杰拉德·古拉尼、卡尔·哈庚和汤姆·基博尔。

　　上帝粒子终被捕捉

　　上世纪50年代，杨振宁与Mills提出了Yang-Mills场论。Yang-Mills场论不允许有静质量的玻色子存在，而当时实验结果暗示传递弱相互作用的玻色子是有质量的。

　　另一方面，美国科学家Jeffrey Goldstone在1962年证明了量子场论中，一个真空态存在自发对称破缺的标量场，会伴随着一个质量、电荷、自旋都是零的粒子出现，被称为戈德斯通（Goldstone）玻色子。但戈德斯通玻色子也未被人们发现。

　　张宏浩总结称，当时粒子物理遇到的困境，一是没有办法在理论上解释矢量玻色子怎样获得了质量，而这些有质量的矢量玻色子是标准模型所需要的；二是没有在实验上发现对称性自发破缺所应该出现的零质量的戈德斯通玻色子。“希格斯机制的提出，一石二鸟地解决了这两大困难”。

　　在标准模型里，希格斯机制是一种生成质量的机制，希格斯场经过真空对称性破缺的瞬间，赋予了每一种基本粒子静质量（光子和胶子除外）。

　　实现希格斯机制的最简单的一种方式，是标准模型中必须有一个标量粒子，即希格斯粒子。根据希格斯机制，希格斯场遍布于宇宙，有些基础粒子因为与希格斯场之间相互作用而获得质量，同时也会出现副产品希格斯玻色子。

　　希格斯机制和希格斯粒子除了可以解释矢量玻色子具有质量，还可以解释夸克、轻子等基本粒子具有质量，有了它，质子、电子、原子、分子、人、地球、太阳、各种天体等自然界万物才能具有质量，我们才能得以存在。

　　“这一发现意味着粒子物理的标准模型进一步得到验证，表明到目前为止人类对基本粒子及其相互作用的理解是相当成功的。”张宏浩说。

　　然而，标准模型并不是完美的。张宏浩补充说，希格斯粒子的存在也意味着在更高能量处很可能存在新的物理机制，否则会导致一系列的理论问题。“对新物理机制的探索是未来高能物理研究的重要方向。因此，希格斯粒子的存在不仅支持了现有的粒子物理学知识，同时也会促进高能粒子物理学的未来发展。”

(来源:南方日报)