探索質量起源之謎:希格斯粒子發現歷程和未來希格斯工廠(上)

《追風箏的人》

「為你,千千萬萬遍」

靜靜地蜷在床角捧著這本書。阿米爾終於有勇氣追尋那隻折射著人性光輝的風

陳繕真1楊海軍23

1. 中國科學院高能物理研究所;2. 上海交通大學物理與天文學院;3. 上海交通大學李政道研究所

01

前言

2012 年7 月4 日,在歐洲核子研究中心的主報告廳裡舉行了一場特別的全球新聞發佈會,在大型強子對撞機LHC上運行的兩個大型實驗ATLAS和CMS,同時宣佈發現了希格斯粒子揭開了基本粒子質量起源之謎。半個世紀以前預言了希格斯粒子的彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒也被邀請到現場。彼得·希格斯,這位時年83 歲的老人喜極而泣,他說:「這一切竟然發生在我的有生之年,真是令人難以置信。」全球數千家媒體和電臺進行了廣泛的報道,美國《科學》雜誌將希格斯粒子的發現評為2012 年度最重大的科學發現。

這是一個期待了近半個世紀的實驗結果,六位理論物理學家在1964 年發表的研究成果終於被實驗所證實了,弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯因此榮獲了2013年度的諾貝爾物理學獎。

為什麼這個發現如此的令人激動?因為,在物理學最微觀和基本的分支——粒子物理學半個多世紀的發展過程中,科學家逐漸建立了一整套理論框架,這個框架被稱為粒子物理學的標準模型。而這個框架下最基本的粒子幾乎都被發現了,希格斯粒子被認為是最後一個最基本的粒子,所以也被人稱作是「標準模型的最後一塊拼圖」,參見圖1。

圖1 粒子物理標準模型的基本粒子

圖1 粒子物理標準模型的基本粒子

希格斯粒子的發現揭示了基本粒子質量的起源,填補了標準模型最後也是最重要的基石,從某種意義上完備了標準模型理論,成為粒子物理學研究的一個重要里程碑。粒子物理標準模型的發展和完善,凝聚了幾代人近一個世紀的心血。

02

泡利的疑惑:粒子的質量在哪裡

如果我問你,這個世界上有多少種「力」?你可能會列舉「重力、摩擦力、磁力、壓力、浮力……好多好多!」但是如果要問一個現代的粒子物理學家,世界上有多少種「力」,你得到的答案一定是四種,強核力(強相互作用),弱核力(弱相互作用),電磁力和萬有引力。那麼普通人眼中的力的種類為什麼和物理學家眼中的不一樣呢?那是因為,除了重力來源於萬有引力之外,幾乎所有在生活中能感受得到的力本質上都來自於電磁相互作用力。你可能會有疑問,那些不帶電的物體產生的力為什麼本質上也是來自電磁力呢?其實,像是摩擦力、壓力等看似沒有電和磁參與的力,從微觀層面來看,都是分子之間的相互作用,而分子之間是通過它們本身的電磁場互相影響彼此的,所以,這些宏觀上不帶電和磁的力,從本源上來講其實還是電磁相互作用力。那麼,為什麼我們看到的世界感受不到引力和電磁力之外的那兩種力呢?強核力,弱核力,它們究竟是什麼?其實,就像它們的名字所暗示的那樣,強核力和弱核力的作用範圍都特別短,都只能在原子核內部才能發揮作用,也都是實驗物理學家們通過對放射性衰變的分析才被發現的。強核力就像是橡皮筋一樣,拉住了因為帶著同樣的電荷而互相排斥的原子核內的粒子,而弱核力則是啟動放射性衰變,以及恆星中氫聚變過程的一種力。

人類最熟悉的基本作用力是萬有引力,這也是在宇宙尺度上維繫星體運動的最直觀的作用力。而由於上百年來電磁學以及電動力學理論的發展,特別是19 世紀中葉英國物理學家馬克士威總結了一組描述電場、磁場與電荷密度、電流密度之間關係的偏微分方程——馬克士威方程組之後,人類已經對於宏觀的電磁力以及它的傳播子光子有了深刻的了解。然而,不同於這類能夠輕易觀測到宏觀效應的引力和電磁力這兩種長程作用力,人類對於另外兩種基本短程的作用力的認知過程則艱難得多。因為對另外兩種力的研究一開始都只能在放射性衰變這樣的看不見摸不著反應中才能進行。在19 世紀末放射性元素被發現之後,歐內斯特·拉塞福和約瑟夫·湯姆孫通過在磁場中研究鈾的放射線偏轉,發現鈾的放射線有帶正電的,帶負電的和不帶電的三種。他們把這三種射線分別被稱為α射線,β射線(也就是電子)和γ射線,相應的發出α射線和β射線的衰變過程也就被命名為α衰變和β衰變。

1930 年的物理學界,人們在討論一個嚴肅的問題,β衰變中能量、動量以及自旋角動量到底守不守恆,因為在那時實驗上觀測到的β衰變的電子能量譜線總是呈現出一種彌散的狀態,而不是兩體作用給出的單一能量值。這個問題如此深刻地觸及到了基本守恆律,幾乎動搖了上百年來的物理學基石。但是在那個年代,相對論、量子理論的發展已經將物理學家的世界觀打碎了一次又一次了,人們已經開始在謹慎的考慮守恆律也被打破的可能性了。但是時年僅三十歲的奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利是守恆律的堅定信徒,他為了解釋這個問題,提出了一個假設:他認為,在β衰變的過程中,除了實驗中觀測到的帶電粒子射線之外,還有一束不帶電的粒子射線。這類粒子如此之小又如此之孤僻,以至於當時的各種探測器都無法觀測到它,這種粒子就是中微子(泡利最初將其稱之為「中子」,但是在兩年之後詹姆斯·查德維克發現了真正的中子之後,恩里科·費米和泡利重新將其命名為「中微子」)。這也是歷史上第一次有弱核力參與的衰變過程的表達式被完整地寫出。幾年之後的1935 年,為了解釋原子核內的質子和中子是如何被束縛在一起的,日本科學家湯川秀樹提出了強核力的理論。

在那之後的二十年,物理學界對強核力、弱核力進行了更加深入的研究。時間到了1953 年,科學家們想要仿照馬克士威方程組,寫出描述核子、介子以及它們的相互作用的方程。此時,長期研究規範場的泡利首先取得了一些突破,他通過純粹的數學工具嚴謹地推匯出了一條能夠統一描述電磁力場和核力場的非阿貝爾規範場方程。此時的泡利已經53 歲,知名於「泡利不相容原理」等理論、年少成名的他此刻已是載譽滿身的大科學家,被學界稱為「物理學的良心」和「上帝的鞭子」。雖然他寫出的非阿貝爾規範場方程在數學上很美,但是他意識到這條方程在物理上還存在著致命的缺陷,那就是方程存在發散項,這意味著這條方程預示著規範場必須存在質量為零的傳遞相互作用的規範粒子來維繫方程的關係。然而,質量為零的規範粒子就意味著它傳遞的相互作用力應該是長程力,應該在無限長的距離外都能接收到它的力的作用,這和現實中發現的核力均為短程相矛盾。因此,泡利認為他的理論「導致了一些相當不實際的陰影粒子」,所以治學嚴謹的他只是在幾場報告會上談論了這個理論,但是選擇了不發表這項成果。

1954年,楊振寧與合作者羅伯特·米爾斯也寫下了一條類似的方程,他們希望這條方程能夠描述強核力。不同於謹小慎微的泡利,他們選擇將研究結果快速地發表了出來(稱作楊-米爾斯方程),並且開始了學術圈內的宣傳。楊振寧在普林斯頓做了一場關於這條方程學術報告,而這場報告的會場裡大師雲集,儼然是一場華山論劍。其中,這裡面就坐著前一年寫出過同樣概念方程的泡利。當楊振寧在黑板上寫下了新發現之後,卻被坐在臺下的泡利打斷道:「方程描述的這個場的質量是什麼?」泡利的問題簡單卻深刻,卻像是內力渾厚的一陽指直戳了這條理論的軟肋:它無法描述現實中有質量的粒子,而這一點泡利自己再清楚不過了。泡利本希望能見證一場精彩的見招拆招,但是楊振寧只尷尬地回答道:「我不知道……」。質量!質量到底到哪裡去了?這是泡利最關心的問題。沒有解決粒子質量的來源問題,一切美好的方程都是紙上談兵。不出意外,在那之後相當長的時間內,這條非阿貝爾規範場方程都沒有發揮出真正的作用,但當時大家可能都沒有料想到,多年以後,這條本有缺陷的方程所描述的規範對稱性竟成為了粒子物理標準模型的基石之一。

03

基本粒子的「元素週期表」

不同於泡利等人痴迷於研究物質間的相互作用,有另一批科學家此刻正沉迷於研究物質本身的組成。我們知道,這個世界上所有的宏觀物體都是由無數的微小的叫做原子的粒子組成的。而原子則是由一個位於其中心極小的空間上的原子核和若干個在核外空曠的空間內繞核運動的電子組成。原子核內包含若干個緊密結合在一起的質子和中子,這些原子核內質子和中子不同的數目就決定了不同的原子有不同的物理性質。我們所熟悉的氧、碳、氫等不同的原子就是靠它們原子核內質子的數量不同而表現出了不同的性質。但是質子和中子就是組成物質的最小結構了嗎?科學家們對此的認知逐漸隨實驗進展而產生了變化。在20世紀50 年代,研究微觀粒子實驗的物理學家們發現,有少量的一些粒子表現非常奇怪,壽命比其他粒子長得多。為了解釋這些粒子的奇怪現象,在20世紀60 年代初,以莫里·蓋爾曼為代表的粒子物理學家提出了夸克模型的概念,認為絕大多數粒子都只含有上夸克和下夸克,而這些表現奇異的粒子的結構中則含有另一種與下夸克電荷一致的成分——「奇異夸克」。雖然這樣一個包含三種夸克的夸克模型成功地描述了20 世紀60 年代所發現的幾乎所有除了輕子以外的粒子的物理性質,然而這種帶有分數電荷的假設無論如何在那個年代來看都有些許的瘋狂。

在同一個時代,著名的物理學家理查德·費曼為了理解基本粒子的行為和分類提出了另外一種模型,叫做「部分子模型」。夸克模型與部分子模型都可以解釋一些粒子分類上的問題,所以直到在這之後的20 世紀60 年代末,粒子物理學界都還沒有完全接納夸克模型,連夸克模型的提出者蓋爾曼都一直保持著謹慎小心的態度,表示夸克模型只是一個數學模型,並試圖模糊化處理夸克是否真實存在的話題。甚至在史丹佛直線加速器中心(SLAC)在1968 年發現質子內確實存在更深層次的次級結構時,科學家們仍然更願意相信被發現的次級結構是部分子而非夸克。

那麼事情是如何出現轉機的呢?夸克模型究竟是如何成為了粒子物理學家們的共識的呢?在蓋爾曼提出夸克模型後不久,謝爾頓·格拉肖和詹姆斯·比約肯在蓋爾曼的包含三種夸克的模型之上提出了第四種夸克存在的假設,格拉肖和比約肯把這個他們構想中的第四種夸克命名為「charm」。charm 這個詞有「魔力,魅力,吸引力」的意思,格拉肖認為charm 夸克的魅力可以讓夸克模型更加的完善。

我國著名的物理學家王竹溪先生把這類夸克翻譯為「粲夸克」,「粲」這個字的意思有「美,鮮明」的意思,既和英文charm 的發音相似,又表達了類似於英文原詞的含義。格拉肖和比約肯似乎是對於數學上對稱美的極致追求者,他們認為在蓋爾曼等人的模型中既然有一個與下夸克類似的奇異夸克,那麼就應該會有另一個和上夸克類似的夸克,不但如此,新的夸克的加入還能使得自然界最基本的相互作用之一的弱相互作用得到更好的描述。然而,他們的猜測在當時並未受到重視。真正使得粲夸克的假設被更多的人重視起來的是1971 年由格拉肖、約翰·李爾普羅斯和盧奇亞諾·梅安尼一起撰寫的一篇論文,提出了所謂的GIM機制。格拉肖對於粲夸克理論非常有信心,他甚至在一場於1974 年舉辦的國際會議裡立下賭注,如果在兩年內找不到粲夸克,他就會把他的帽子吃掉!

事情果然沒有讓格拉肖失望。就在他立下吃帽子賭局之後不久,幾個實驗團隊就發現了一些有趣的新結果。1974 年9 月,位於美國布魯克海文國家實驗室的丁肇中實驗團隊利用將高能量質子朝著鈹標靶射擊,並從碰撞產物中,尋找正負電子對的方法,發現了一個奇特的信號:他們發現,總能量為31 億電子伏特的正負電子對出現頻率非常多,這意味著一種帶有31 億電子伏特的質量的新粒子被大規模地產生了出來。在粒子物理學家看來,質量與能量是等價的,而31 億電子伏特的能量相當於一個電子在31 億伏特的電壓下所獲得的能量。丁肇中的學術聲譽非常好,做實驗非常小心謹慎,他不願意冒進發表任何可能有錯誤結果。由於在粒子物理實驗中,經常會有因儀器原因導致的干擾信號,在尚不能確定這實驗結果不是某種錯誤電子信號之前,丁肇中團隊都在秘密地分析核對他們的實驗資料。與此同時,在美國史丹佛直線加速器中心,伯頓·里克特的實驗團隊設計與建成了一種新型對撞機——史丹佛正負電子非對稱環(SPEAR),在這臺對撞機裡,電子與正電子以相反方向轉動與碰撞。1974年11月10日,他們在31.05億電子伏特的能量上也找到很多粒子被產生出來的事件,同樣,這意味著一種新粒子存在的跡象,他們將這個新粒子命名為「ψ介子」。里克特迫不及待的想要將這項成果公諸於世,於是他們決定,在第二天發佈這個訊息。

無巧不成書,11 月10 日,就在里克特的實驗團隊發現他們新結果的當天,本來遠在美國東海岸的丁肇中恰巧到了美國西海岸的史丹佛直線加速器中心開會。在這裡,丁肇中得知里克特實驗團隊發現新粒子的訊息後,發現里克特團隊發現的新粒子與自己團隊發現的新粒子的質量如此接近,他不得不懷疑兩個團隊是不是發現了同一種粒子。於是丁肇中決定不再猶豫,立刻也要將自己團隊的發現公諸於世,並且將他們發現的粒子命名為「J 介子」。11 月11 日早上8 點鐘,丁肇中與里克特在SLAC實驗室主任辦公室會面。雙方對對方團隊的新發現都表示了祝賀。經過一番溝通後,他們才確定了他們發現的新粒子果然是同樣一種粒子。於是,他們立刻將他們的實驗結果分別公之於眾,並寫成兩份報告,同時發表在了《物理評論快報》的12月份期刊。因為兩個團隊分別獨立發現並命名了新粒子,為了使得兩人的貢獻都得到認可,學界將這個粒子命名為J/ψ粒子,這也是基本粒子家族中唯一一個由兩個字母名字組成的粒子名字。J/ψ粒子的性質不同於以往發現的任何粒子,以至於只有格拉肖和比約肯在夸克模型下預言的粲夸克才能合理地解釋J/ψ粒子的存在。事實上,J/ψ粒子是由一個粲夸克與一個反粲夸克共同組成的。J/ψ粒子的發現在粒子物理學界裡引起一場革命(後來被稱為「十一月革命」),因為它意味著夸克模型理論並不是紙上空談,由於粲夸克的發現,強子被證實是由夸克組成的。然而這並不是夸克發現故事的結束。在丁肇中與里克特忙於加速器和對撞機實驗的時候,另一批科學家在另外的領域的研究表明,夸克的數量可能比格拉肖和比約肯相信的還要多。早在1956 年,為了解釋兩種質量和壽命相同,看起來像是同一種的粒子的θ+粒子和τ+粒子(後來被證實其實就是同一種粒子,現在叫做K+介子),卻有著不同的宇稱量子數和不同的衰變產物,李政道和楊振寧提出,在弱相互作用中,微觀粒子的行為可能宇稱量子數並不守恆。宇稱的守恆對應的對稱性是「左」和「右」的對稱,也就是說,李政道和楊振寧推測在微觀世界中,「左」和「右」的物理規律並不完全相等同。

這個推測在當時的年代頗具震撼力,打破了被千百年來人類視為金科玉律的觀念。第二年,吳健雄等科學家在對鈷60(60Co)衰變的觀測中證實了這項推測,她利用兩套裝置中互為映象的鈷60 設計了一個實驗,一套裝置中的鈷60 原子核自旋方向轉向左旋,另一套裝置中的鈷60 原子核自旋方向轉向右旋,結果發現在極低溫的情況下兩套裝置中放射出來的電子數有很大差異,進而證實了李政道和楊振寧的假說。同年,李政道和楊振寧因為這一項劃時代的假說,獲得了1957年的諾貝爾物理學獎。

在弱相互作用下的宇稱的對稱性破缺被發現後不久,物理學家發現在弱相互作用下,電荷共軛的對稱性也是破缺的。此時,列夫·朗道以及李政道和楊振寧認為,電荷-宇稱(C-P)兩個量子數的聯合,應該保持著良好的對稱性。電荷-宇稱對稱性的守恆可以使得粒子和反粒子遵循著相同的物理規律。

而在1964 年,科學家們在含有奇異夸克的介子衰變中,發現了另一個更加「奇異」更加難以讓人接受的事實:電荷-宇稱聯合的對稱性似乎也不守恆。在電中性K 介子的衰變中,詹姆斯·克羅寧和瓦爾·菲奇發現,本應衰變成三個π介子的長壽命K介子,卻有一些衰變成了兩個π介子。這種衰變模式是電荷-宇稱對稱性的守恆所不允許的。克羅寧和菲奇的研究結果再一次給理論界帶來了巨大的衝擊,也為他們帶來了1980年的諾貝爾物理學獎。

為了解釋電荷-宇稱對稱性的破缺,1973 年,在義大利物理學家尼古拉·卡比博的研究的基礎上,日本科學家小林誠和益川敏英建立了卡比博-小林-益川矩陣(CKM),給出了電荷-宇稱對稱性的破缺存在的必要條件,並在當時只發現了三個夸克的情況下預言了六個夸克的存在。之後,底夸克與頂夸克分別於1977 年和1995年在美國費米實驗室的粒子加速器中被發現。至此,夸克的六種「味道」全部在實驗中發現,夸克模型被完整呈現和證實。夸克模型也成為了標準模型的基石之一。

04

希格斯機制:基本粒子質量的起源

對稱性在物理學中有至關重要的地位,它的存在很大程度上決定了相互作用的形式。電弱相互作用統一理論的內在對稱性要求傳遞粒子之間相互作用力的傳播子不具有質量。電磁相互作用力的傳播子——光子滿足這一要求,但弱相互作用力的傳播子——W±和Z0玻色子都具有較重的質量,這破壞了電弱相互作用的對稱性,也導致了理論計算困難。實驗上核力傳播距離有限的事實又表明,這些傳播子確實是有質量的。許多年來,這種矛盾一直困惑著粒子物理學界。直到1964 年,有三篇文章分別提出了電弱對稱性自發破缺機制,即「希格斯機制」,參見圖2。1964 年8 月,弗朗索瓦·恩格勒和羅伯特·布繞特首先發表了一篇關於這種機制的文章;緊接著,彼得·希格斯在10 月份;傑拉德·古拉尼、卡爾·哈庚和湯姆·基博爾在11 月份也分別獨立發表了類似的機制,因此,這種機制也最早被人稱作「布繞特-恩格勒-希格斯-古拉尼-哈庚-基博爾機制(BEHGHK)」。然而由於歷史上的機緣巧合,希格斯成為了這些天才大腦中最幸運的人,如今這種機制常被稱作希格斯機制。

圖2 描述對稱性自發破缺的概念圖

圖2 描述對稱性自發破缺的概念圖

在希格斯機制中,通過電弱對稱性自發破缺後產生的Nambu-Goldstone 玻色子,讓原本只有兩個橫向極化自由度的無質量W和Z 玻色子獲得了額外的縱向自由度,從而使得W和Z 玻色子獲得質量。其他基本粒子通過與希格斯場的相互作用獲得質量,而希格斯場的激發態對應的就是希格斯玻色子。

希格斯機制解決了質量起源問題,但同時也帶來了新的問題,那就是,有希格斯場的存在,那就應該有希格斯粒子的存在。關於希格斯粒子,歷史上還曾有過另一個精彩的描述。在1993 年,為弄清在歐洲核子研究中心大家都在盡力尋找的希格斯粒子到底是什麼東西,英國的科學大臣威廉·瓦德格雷夫曾發起過一項挑戰,就是給他講清楚希格斯機制是怎麼回事,而獎品是一瓶上好的香檳。瓦德格雷夫本人並沒有粒子物理學基礎,高深的公式他並不懂,因此,想要贏得挑戰就必須要講好一個形象的故事。最終,倫敦大學學院的粒子物理學家大衛·米勒想出來一個描述並最終贏得了這瓶香檳。米勒描述了這樣一種情況:假如在一個雞尾酒會上,大家都在自由地交談。此時的所有人就是分佈在空間的希格斯場。這時一個無名小輩走入了酒會,那麼沒有人會注意得到他,他可以自由地在酒會上穿梭,並且可以隨意地改變行動方向。這時,這位無名小輩在酒會上的運動就像是一個無質量的粒子。但是假如此時一位名人(比如愛因斯坦)走入了房間,那麼酒會上的人就會迅速地注意到這位名人,並圍上來。這時的愛因斯坦就只能緩慢地移動,並且難以改變方向。這時這位名人的運動狀態,就像一個有質量的粒子,參見圖3。

圖3 利用卡通場景描述粒子如何獲得質量

但是,假如這時候沒有人進入房間,只是門口有個人悄悄地講了一個傳聞,聽到這個傳聞的人都會非常主動地把這個傳聞講給屋裡其他的人聽,這時屋裡就會聚集起一小團聽傳聞的人群。當一個人講完這條傳聞之後,聽到傳聞的人總有一個會把這條傳聞繼續傳播下去。這樣,雖然每個人聽完傳聞之後就回到了自由交談的狀態,但是這條傳聞會隨著一小團變動的人群繼續移動下去。就像是聚集的人群能給愛因斯坦賦予質量一樣,這小團聚集的人群也給自身賦予了質量。這時,這小團聚集的人群就是一個希格斯粒子,參見圖4。

圖4 利用卡通場景描述希格斯粒子

圖4 利用卡通場景描述希格斯粒子

希格斯粒子像是一把鑰匙,可以將楊-米爾斯方程中被盒子緊鎖著的質量釋放出來。希格斯粒子和希格斯機制,如同楊-米爾斯方程,以及夸克模型一樣,成為了粒子物理標準模型的第三塊基石。

在標準模型三大基石集齊之後,謝爾頓·格拉肖、阿卜杜勒·薩拉姆、以及史蒂文·溫伯格等人在統一電磁力和弱核力的嘗試中,逐漸地將這三大基石融合,繪出了粒子物理標準模型的基本藍圖。(待續)

本文經授權轉載自微信公眾號:現代物理知識雜誌,作者陳繕真 楊海軍

轉載內容僅代表作者觀點

不代表中科院高能所立場

編輯:趙楊

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