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为了理解希格斯玻色子,我们一定要先聊聊“希格斯场”。就是这个场,赋予某些基本粒子它们的质量,同时也将自然界四种基本力中的两种相互分离。

该场的存在最早是在20世纪60年代早期被理论化的,物理学家们考虑了一个假设场的结果,这个假设场解释了电磁力和弱力是如何分离的,以及为什么一些携带力(或规范)的粒子有质量(如W和Z玻色子),而其他粒子(如光子)没有质量。

英国物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)是研究这个模型的众多研究人员之一。而他的名字从此便成为场、场的粒子和场的作用机制的代名词。

那么,什么是希格斯玻色子呢?

和所有的量子场一样,希格斯场产生了它自己的一种基本粒子:希格斯玻色子。它是一种相对较重的、不带电的、高度不稳定的玻色子(带有力的粒子,自旋为零),在分解成各种其他粒子之前,它只存在一瞬间。

2012年,大型强子对撞机(Large Hadron Collider)的两个探测器就探测到了这种粒子,正式将“希格斯玻色子”纳入标准模型(Standard Model),并为希格斯机制提供了强有力的证据。

又是什么给了粒子质量?

在日常生活中,我们认为质量是运动的阻力。质量大的物体很难移动;一旦它们开始运动,又很难停下来。

为此,阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论为我们提供了另一种看待质量的方法 —— 它是一个物体能量的表达式。

当一个物体静止不动时,它的质量等于它的能量除以光速的平方 —— 这就是我们熟悉的公式“E=mc2”的一个变形。让物体移动,特别是在接近光速的情况下,它会获得相当于质量的能量。

原子的大部分质量来自被称为夸克的高能粒子的激发态,这些粒子在强大的力作用下束缚在原子核内部。夸克本身也有质量。周围的电子也一样。由于它们内部没有激发态,需要某种活动来解释静止时等于它们质量的能量。

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更重要的是,在20世纪中叶,物理学家发现之前描述规范玻色子的模型与观测结果不符;像弱力的W玻色子和Z玻色子这样的短程粒子的质量是整个质子的80倍,而电磁场中影响深远的光子却根本没有质量。

物理学家们迫切地想要找到造成这些重量差异的原因,以及这两个领域为何如此不同的原因。

希格斯场是如何赋予基本粒子质量的?

在宇宙大爆炸后的极度高温下,电磁场和弱核力实际上是完全相同的。

随着宇宙的膨胀和冷却,这两个场将变得截然不同:一个场的玻色子很重,作用在原子核的短距离内,而另一个场的玻色子足够轻,可以覆盖广阔的太空。

世界各地的几组物理学家对这种分裂(以及质量差异)做出了类似的解释。历史承认希格斯及其同事François Englert和Robert Brout在1964年提出的建议,该建议基于一种新型的量子场,这种量子场在任何地方都活跃,甚至在整个空白空间。

如果在宇宙的每个角落都有一个非零值的场,将会打破量子力学的基本平衡,而在理论上,这种平衡应该会产生一种已经被实验排除的粒子。

但希格斯和他的同事证明,如果这个假设场与导致弱力的场联系在一起,这种从未见过的麻烦粒子将被吞噬,留下一些重量级的W玻色子和Z玻色子,以及一个相对较重、无自旋、不带电的“希格斯”玻色子(很快就会瓦解)。

可以把希格斯场想象成一家糖果店,玻色子在吃巧克力时不愿着急,只会留下一堆短暂的“希格斯包装纸”。人们很快发现,同样的过程几乎适用于任何量子场;希格斯场解释了一系列其他基本粒子(如夸克和电子)的质量,这些粒子都拒绝被推动,因为它们需要片刻时间来治疗自己的甜食嗜好。

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