量子理论的诞生和发展(27):粒子物理中的对称破缺

来源:http://www.soundspoof.com 时间:04-23 16:08:31

作者:张天蓉

2013年3月14日,欧洲核子钻研构造发布音信,宣告LHC的紧凑渺子线圈(CMS)和超环面仪器(ATLAS)于2012年7月4日测量到了具有零自旋与偶宇称的希格斯玻色子——科学家们不息憧憬着的“天主粒子”。

这是瑞士日內瓦西北部的郊區,左边已经能望到法国边境处的原野,背景是时兴的日内瓦湖。时兴的修建,青翠的草坪,在这一片安和平和的美景之下,暗藏着一个重大的科学钻研装配:欧洲核子中央的大型强子碰撞机。

  

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CERN的强子添速器LHC

欧洲核子中央(CERN)找到“天主粒子”的消息之于是震惊了全世界,在于大型强子对撞机LHC暗藏在100米深的地下,位于一个周长27公里的重大的环形隧道内。这是一个由众个国家的科学团体说相符建造的世界上最大粒子添速器,其主要主意就是为了追求希格斯粒子。它配置了一台世界上最腾贵的显微镜,总耗资达到130亿美元,由上万人造此日夜辛勤做事。2012年7月4日,终于追踪到一个平均寿命只有1.56×10−22秒(s)的基本粒子——希格斯粒子!当CERN的实验物理学家们第二年基本确认发现了“天主粒子”之后,诺贝尔委员会以前就决定将2013年的物理奖赋予与此有关的两位理论物理学家:弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯。

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希格斯玻色子的产生

“天主粒子”并非天外来客。与其说CERN“发现”了希格斯粒子,倒不如说对撞机“制造”出了希格斯粒子更实在。科学家们让LHC隧道中的两束质子流以每秒11245圈的速度(挨近光速)狂奔,使二者发生碰撞,在极幼的空间内爆发出相等于十万倍太阳温度的超级高温,从而开释出大量的能量和粒子。科学家们展望,在这些开释出来的粒子中就有能够包含着希格斯粒子。不过,质子碰撞产生希格斯粒子的几率很幼,每1012次的对撞才能够产生一次。并且,希格斯粒子即使产生了也会少顷即逝,在10亿分之一秒内它会衰变成其它的粒子。因此,要想捕捉到希格斯粒子实在是太不容易了。

希格斯玻色子是粒子物理学认可的“标准模型”中其它基本粒子的质量“源泉”,它挑供了一个“质量来源”的机制。

所谓质量,在中学物理书中被定义为客体“所含物质的众少”。但理论物理学家关注的是“质量首源”题目。“追根溯源”,追求“万物之本”。“质量”在经典物理中是无可非议的存在,但在当代物理的“标准模型”中,却要煞费心机地去追溯它的“来源”。

标准模型试图将“万物”归纳联相符为最幼批主意“基本元素”,而描述粒子之间各栽相互作用的较成功理论是“规范场论”。

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希格斯玻色子是标准模型的末了一块拼图 

规范场论在数学上相等时兴,但它有一个弱点:与其有关的粒子(规范粒子)的质量只能为0,这会导致标准模型(见图)中的一切基本粒子的质量都为0。隐微这不相符客不悦目实际。然而实际是物理科学的“根基”,即使理论上再美,似乎舍不得屏舍的“至喜欢”,其理论之美也只能遵命于客不悦目实际。希格斯机制能够解决二者之间的矛盾,使规范场的理论趋于完善。

物理学的基本理论不是浅易说相符或大杂烩。上一篇挑到南部阳一郎(Yoichiro Nambu,1921-2015)最先将“对称破缺”这一切念从凝结态物理引入到粒子物理并非未必,他是在逆复仔细钻研了BCS超导理论之后才有所突破的。

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超导(BCS)的对称破缺(从U(1)到Z2)

南部一郎是日本人,1970年添入美国籍,2008年荣获诺贝尔物理学奖。他对物理学的最主要贡献就是对“对称性自愿破缺”机制的钻研。

他最先从量子场论的角度,用对称破缺的概念钻研BCS超导理论题目。导体在矮温条件下展现超导形象,最基本的因素照样只会是电子之间的电磁相互作用。根据规范理论,电磁场相符U(1)群所描述的相位旋转对称性(上图)。但是,当电子双双构成“库珀对”之后,失踪了相位360度的旋转对称性,只留下两个元素Z2群的对称性。U(1)到Z2对称性的转折,转折了正本物质能带图中的费米面结构,从而形成了超导。

BCS理论中的对称破缺,如同竖立的铅笔从均衡位置能够向任何一个倾向倒下相通,电磁作用中的基态不止一个,而是有无穷众个,相通物理规律具有旋转对称性。铅笔的“基态”是“简并”的,能够理解为有无穷众的“基态”,但就团体而言,铅笔去一面倒下后,便只能处于一个详细的“基态”,这时就异国旋转对称性了。铅笔倒下后的谁人“基态”正是缘自对称性的损坏。

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2008年诺贝尔物理奖得主

获2008年诺贝尔物理奖的另两位日本本土物理学家幼林诚和好川敏英在南部所做做事的基础上进一步钻研了对称破缺。1973年,29岁的幼林诚和33岁的好川敏英挑出“幼林-好川理论”,注释了宇宙演化过程中为什么粒子众于逆粒子的因为。经过钻研弱相互作用中CP对称性的损坏,他们认为粒子和逆粒子之间除了电荷符号分别之外,还有一些微弱的迥异,这栽微弱的迥异引首CP自愿对称破缺,导致正粒子和逆粒子的衰变逆答速率分别,造成正粒子数现在大大众于逆粒子。

遵命幼林-好川理论,答该存在6栽夸克,其对称破缺机制才能首作用。然而那时还只发现了3栽夸克。后来,另外3栽夸克别离在1974、1977、1995年被发现。而且,在2001年和2004年,美国斯坦福实验室和日本高能添速器也别离自力地实现了幼林-好川理论所描述的自愿对称破缺机制。

乐趣的是,当初幼林诚和好川敏英的论文是发外在一个日本的物理专科杂志上,好几年都门可罗雀。幸好后来有人将此文介绍到主流物理界才被大无数物理学家清新或引用。

自愿对称破缺表现了一个主要结论:某些情况下,物理实验得到与理论上的自然规律(方程)纷歧样的效果,那纷歧定是“违背了规律”,而是由于方程描述的是清淡情形,吾们不悦目察到的物理世界只是方程的一个解。这个解是方程团体对称性自愿破缺后的效果。

如前所述的规范理论中粒子质量都为0,不符实际客不悦目,当引入了自愿对称破缺概念后,粒子的质量就能够是来自于自愿对称破缺。这就是希格斯机制的思想。

希格斯机制最先倘若一切粒子都异国质量,这些粒子构造出时兴的规范场理论,然后再从规范理论之外去追求一栽手段,给一切的粒子添上它答该有的质量。于是,“产生质量”的各栽方案答运而生。这其中最浅易的、大无数人最喜欢的一栽便是在1964年由三组钻研人员自力挑出的希格斯机制。

也不是必定要由Higgs粒子来挑供质量,还能够有别的手段。例如,根据喜欢因斯坦相对论所得出的质能有关:E = mc2,质量和能量是互相有关的。于是能够认为质量的一片面来源于能量。不过,这些质量与Higgs粒子异国一毛钱的有关。

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质量的来源

从喜欢因斯坦的质能方程望,设想一个无质量的盒子,其中足够了不息地从四壁来回逆射的光子。光子及盒子都异国静止质量,但由于光子带有总能量E,因而整个盒子能够有与能量相对答的质量m=E/c2。

实际上,质子质量的绝大片面能够就是来源于与上述光子盒相通的机制。质子的静止质量为938MeV,构成质子的三个夸克的总质量仅为11MeV,盈余的927 MeV的质量从何而来,有能够就来源于强相互作用的传递粒子“胶子”。固然胶子和光子相通异国静止质量,但质子中的很众胶子在一首运行并发生相互作用会具有奴役能,能够这便是质子中绝大片面质量的来源。

希格斯机制能赋予粒子质量的基本道理是:空间中存在某栽场,场与在其中运行的粒子相互作用,这栽相互作用便能够转折运行粒子的能量,从而赋予粒子以响答的“质量”。

场的真空态是能量最矮的状态。清淡来说,能量最矮的状态对答于场强为0。但倘若场的势能弯线比较稀奇,比如清淡所谓的“墨西哥帽子”势能弯线(见图),这时能量最矮的状态是无穷简并的,如同墨西哥帽相通是向下凹的一圈。这一圈的能量最矮,但场强却不为0。希格斯场的真空态便能够由这栽势能弯线描述的编制产生“自愿对称破缺”而得到,就像图中所画的幼球无法停在能量较高的担心详位置那样,末了朝一面滚下到谷底某一点的情形。因此,希格斯机制倘若真空中存在着场强非零的、安详的希格斯场。这栽场无处不在,无孔不入,质量为零的各栽基本粒子身陷其中并与希格斯场相互作用,从而获得它答该具有的质量。

遵命当代场论的不悦目点,场的激发态外现为粒子。希格斯场的真空态有4栽激发模式,其中沿着势能弯线对称轴绕圈的相位转折模式有3栽,对答于3栽质量为0的Goldstone粒子,这些粒子在与其它粒子逆答时湮灭不见,叫做被“吃”失踪了,只有一栽沿着势能弯线“径向”波行的激发模式对答于有质量的场粒子,也就是被行家称之为“天主粒子”的希格斯粒子。

希格斯粒子解决了质量的首源题目,物理学家们得以在规范场的基础上竖立标准模型理论,将除了引力之外的其它三栽力联相符在联相符个模型中。标准模型包括了61栽基本粒子,而希格斯粒子是这些粒子中末了一个被“发现”的。因此,希格斯粒子的发现是验证标准模型的一个主要里程碑。


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