探索上帝粒子与质量起源

何红建，邝宇平(清华大学)

1 一份沉甸甸的诺贝尔物理学奖

这是一份沉甸甸的诺贝尔物理学奖，它的颁发直接源于 2012年 7月 4日在欧洲核子研究中心 (CERN)的新闻发布会上公布的振奋人心的实验结果：正在运行之中的大型强子对撞机 (LHC)的两个实验组 ATLAS和 CMS宣布发现了一个质量为 125—126GeV的疑似希格斯玻色子 (Higgsboson)的粒子，这大概就是物理学家们等待近半个世纪的“上帝粒子” (God Particle) 。今年的诺贝尔物理学奖与众不同，特别引人注目，因为这个上帝粒子无比关键，它是宇宙中一切基本粒子的质量之源。7月 4日新闻发布会现场， 83岁高龄的英国理论物理学家彼得 •希格斯 (Peter Higgs)禁不住老泪纵横，在长达 45年的耐心等待之后感叹道，“这真是我生命中最不可思议的奇迹”。英国物理学会主席彼得 •奈特 (Peter Knight)说， “LHC的这一成就堪与人类发现 DNA和登陆月球媲美”。下图右边照片是希格斯与比利时理论物理学家弗朗索瓦 •恩格勒 (Francois Englert)在发布会现场兴奋交谈的情景，十分感人。

2012年7月4日CERN LHC新闻发布会现场恩格勒与希格斯兴奋交谈

2012年 7月 4日之后， LHC的运行马不停蹄，对撞机上的数据源源不断地发送到 ATLAS和 CMS组的计算机群里进行系统整理和分析，到了 2012年底，已经积累了大约 4倍于 7月 4日发布会的数据，在三个主要探测道中得到的结果继续证实了这个 125—126GeV新粒子的存在，而且其主要性质与标准模型中预期的希格斯粒子基本一致。紧接着，全世界奖金额度最高的“基础物理学奖 ”(Fundamental Physics Prize)委员会把 300万美元的大奖颁给了对发现这个类希格斯粒子作出重要贡献的七位实验家，分别是 Peter Jenni， Fabiola Gianotti (ATLAS)， Michel Della Negra，TejinderSinghVirdee，GuidoTonelli，Joe Incandela(CMS)和 Lyn Evans(LHC)。2013年 7月，欧洲物理学会又把具有“诺贝尔奖风向标”的高能与粒子物理学奖颁给了 ATLAS与 CMS两个合作组以及三位作出重要贡献的实验家 Michel Della Negra，Peter Jenni和 Tejinder Virdee。其实，相关理论家的获奖要早得多。 Englert， Brout和 Higgs三人在 9年前就荣获声誉仅次于诺贝尔奖的 Wolf物理学奖 (2004)；而美国物理学会又把 2010年的理论物理 Sakurai奖发给了与此相关的六位理论家 (Englert，Brout，Higgs，Guralnik，Hagen， Kibble)。

到了 2013年夏天，国际高能物理界一致预期 2013年的诺贝尔物理学奖发给希格斯粒子或者希格斯机制 (亦称 BEH机制 )已经没有任何悬念，具体问题是颁发给谁：是理论家？还是实验家？还是两者的组合？此疑难的谜底终于由瑞典皇家科学院在 10月 8日揭晓：弗朗索瓦 •恩格勒和彼得 •希格斯。诺贝尔奖委员会的颁奖贺辞中说，他们的获奖是因为“发现了一个理论机制，对人类理解基本粒子的质量起源作出了贡献；这个机制预言的粒子最近被 CERN大型强子对撞机 (LHC)上的 ATLAS和 CMS实验发现所证实” [2—6]。这一诺贝尔奖是众望所归，全世界物理同行为之庆贺。唯一的遗憾是，恩格勒的合作者罗伯特 •布劳特 (RobertBrout)于 2011年辞世，不幸与获奖无缘。 LHC的这个新发现可能就是科学界已经盼望长达45年的“上帝粒子”？从而找到了所有基本粒子质量起源的线索？高能物理学界为了这个革命性发现的到来已经拼搏了近半个世纪，加之 LHC两个国际实验合作组共 6000多人的辛勤工作，其科学意义和影响早已大大超出了一个普通诺贝尔奖所能褒奖的范畴。因此，这是一份沉甸甸的诺贝尔物理学奖。 CERN主任罗尔夫 •霍伊尔 (RolfHeuer)在 2012年 7月 4日的新闻发布会上总结道，“今天是历史性的里程碑，但还只是一个开始。 ”

2 超越牛顿与爱因斯坦：质量如何起源

质量是什么？质量是怎样起源的？这个如此基本而又古老问题至今仍是未解之谜。

关于质量概念的科学定义可以追溯到弗兰西斯•培根 (FrancisBacon)1620年出版的《新工具》一书，他把质量定义为物体所含物质的多少。牛顿(IsaacNewton)在《自然哲学之数学原理》一书中首次引入了惯性质量的概念，定义为物体惯性大小的量度。牛顿第二定律表明， F =ma或 m = F/a，即可对不同物体施以同样的力 F，从它们获得加速度 a的大小来测定质量大小。这种确定物体质量的方法就是根据惯性大小来量度的，故所测质量称为“惯性质量”。质量的另一重要属性是量度物体引力作用的大小，表现出这一属性的质量称为“引力质量”。牛顿万有引力定律揭示，任何两物体之间都有引力作用，其方向沿两物体 (质点 )连线，大小与两物体质量 m1和 m2乘积成正比，与两者距离 r的平方成反比： F = GN m1m2/r 2，其中 GN为万有引力常数，质量 m1和 m2是引力之源，反映引力作用的大小，称为“引力质量”。惯性质量和引力质量均是对“物质的多少”这一关于质量的基本内涵的刻画。牛顿从自由落体实验和单摆实验中推断了引力质量与惯性质量的等价性。爱因斯坦 (AlbertEinstein)通过对自然界的敏锐洞察，由这个等价性出发推广了相对性原理，于 1916年创建了广义相对论，奠定了现代物理学与宇宙学大厦的基础。在此理论中，惯性质量与引力质量的严格等价性表明，引力的本质是一种惯性力。广义相对论在今天看来也只是一个有效理论，但依然是人类科学史上一个登峰造极之作。

牛顿力学中不存在零质量的粒子，因为零质量在经典意义上意味着“物质的量”为零，即什么也没有。但是， 1905年爱因斯坦构建的狭义相对论是又一个划时代的杰作，它预言了以光速传播的粒子均有等于零的静止质量，并揭示了质量与能量的本质联系，由爱因斯坦震惊世界的方程式所刻画： E = mc2或 m = E/ c2，后者可以作为对粒子等效质量 (常称动质量 )的定义；很显然， m =E /c2与粒子的运动速度有关。换言之，应该用粒子包含的能量来刻画“物质的量”。静止质量为零的粒子 (如光子 )永远以光速运动，因此具有非零的能量，从而包含非零的“物质的量”： m =E /c2。

狭义相对论揭示，能量 E表征粒子所含物质的量(m = E / c2)，但它与粒子在具体过程中的运动速度相关，故不是普适常量。静止质量才是真正描述基本粒子内禀特性的普适常量。粒子静止质量的平方等于其四维动量的平方，它是洛伦兹群的一个基本不变量，独立于参考系选取或粒子的运动状态。仅仅知道这些还远远不够，我们要问：为什么自然界中有些粒子(如光子)的静止质量恰好严格为零？而另一些粒子(如电子)却具有非零静止质量？这些非零静止质量是如何起源的？这是牛顿力学与爱因斯坦相对论均无法回答的跨世纪难题！

基本粒子物理学的“标准模型”是描述宇宙中电、弱、强三种基本相互作用力的理论，从上世纪50 年代发源以来取得了惊人的成功。物理学家们为建造和奠定标准模型所做的系列工作已先后获得18次诺贝尔物理学奖。这个理论包含两大基本对称性：时空对称性(即洛伦兹对称性)和内部对称性(即规范对称性)。

标准模型：自然界所有基本粒子相互作用及其与希格斯粒子作用的图解

标准模型规范群SU(3)×SU(2)×U(1) 完全确定了一切自旋1/2 物质粒子通过交换三类规范粒子所发生的相互作用。这些物质场均有非零质量。标准模型中由于规范对称性的限制，所有物质粒子均无法获得质量。为了符合实验观测结果，怎样才能使得弱规范玻色子和所有费米子获得质量呢？

希格斯势阱V(f)：物理真空处于最低能量态，导致对称性自发破缺

3 真空与对称性破缺：南部的遗憾与希格斯们的幸运

解开弱规范玻色子和所有费米子质量起源的关键线索来自对称性自发破缺 (spontaneous symmetry breaking)的重要概念。这个概念源于 1950年的 Ginzburg—Landau超导理论 (2003年诺贝尔奖 )和 1957年的 BCS (Bardeen—Cooper— Schrieffer)超导理论 (1972年诺贝尔奖 )。 1961年，著名理论家南部阳一郎(YoichiroNambu)从对超导性和 BCS理论的研究中发现了对称性自发破缺的关键概念，并首次在相对论性量子场论中给予定量表述，提出了动力学模型 (即 Nambu—Jona—Lasinio模型 )描述对称性自发破缺 (2008年诺贝尔奖 )，实现了费米子配对的真空凝聚，预言了零质量的南部—戈德斯通 (Nambu—Goldstone)粒子，这是连续整体对称性自发破缺的直接后果，通常称为戈德斯通定理。1961年，南部与约纳 -拉西尼奥 (G.Jona-Lasinio)把这个机制应用于强作用的低能有效理论，分析核子 (整体 )手征对称性的自发破缺，推导了产生核子质量的能隙方程，成功解释了 π介子作为赝南部—戈德斯通玻色子比核子具有更轻的质量。

早在49 年前，三个研究组分别考察了标量场耦合到规范场的后果，他们的分析表明：零质量南部—戈德斯通玻色子转换为规范场的纵向极化分量，于是给规范场产生非零质量。这个巧妙的机制一箭双雕：不仅消除了严格零质量的南部—戈德斯通玻色子，而且使规范粒子获得质量，规范力因此变为短程力。这就是著名的“希格斯机制”。理论物理大师史蒂文·温伯格(StevenWeinberg)1967 年[11]率先将希格斯机制引入电弱相互作用，给出弱规范玻色子质量，完成了电弱统一理论。虽然文献[2—4]包含6 位理论家，但因一些偶然的历史因素，这个机制被冠以英国人彼得·希格斯的名字。

希格斯机制：规范场获得质量(左图)和希格斯粒子与规范场的耦合顶角(右图)

4 上帝粒子的诞生与LHC的新突破

恩格勒—布劳特和希格斯等人的文章既未研究电弱理论弱规范玻色子的质量产生，也未分析费米子质量的产生。标准模型中所有费米子的质量是通过与希格斯场的汤川相互作用(Yukawa interaction)产生的，这是温伯格1967 年论文率先提出的。正是因为标准模型的希格斯粒子同时给出弱规范玻色子和所有费米子(夸克、轻子和中微子)的质量，才成为名符其实的“上帝粒子”。

标准模型中费米子(夸克、轻子和中微子)的质量产生是通过希格斯粒子与费米子的汤川相互作用得以实现的。由于没有可信的基本原理迫使希格斯粒子与费米子耦合，费米子完全可能通过其他新物理机制获得质量，但是这个新物理发生的能量标度在哪里？与模型无关的普遍分析是研究包含费米子的散射过程[，我们导出所有费米子质量产生标度的新上限为3—170 TeV ，均在TeV能区。这比费米子质量产生标度的传统上限大大增强，对于电子质量产生的标度上限，我们的新结果比传统结果增强了200 万倍。这为目前国际上设计新一代环形高能强子对撞机(50—100 TeV) 以有效地探索所有费米子质量起源提供了可靠的理论基础。

标准模型的理论结构建造完成于上世纪七十年代初，粒子物理学家们从那时起开始了近四十年的辛勤探索，做出了一系列重大发现，其中所有规范玻色子于1983 年发现完毕，所有三代费米子于2000 年发现完毕。最神秘的是自旋为零的被称为“上帝粒子”的标量希格斯玻色子，它最难探测。2011 年12 月13 日，LHC 的实验家们终于捕捉到了疑似希格斯粒子的蛛丝马迹，通过双光子衰变道发现125—126 GeV区域的事例数比背景明显超出大约3 个标准偏差。2012 年春夏之间，LHC 在8 TeV 对撞能量重新运行大约3 个月后，进一步数据分析结果于7 月4 日的发布会确认125—126 GeV区域发现了新粒子共振峰，超出背景大约5 个标准偏差。从纯统计学看，这意味着仅有千万分之六的概率来自背景的统计涨落。

5 展望上帝粒子与新物理定律的革命

标准模型希格斯粒子参与了三大类基本相互作用：(1) 希格斯粒子的规范作用；(2) 希格斯粒子与费米子的汤川作用；(3) 希格斯粒子的自作用(h3和h4)。可以对希格斯粒子参与的这三类相互作用进行模型无关的分析和检验。目前LHC在7—8 TeV对撞能量上仅仅对希格斯粒子的第(1)类作用给予了初步检测；但是对于第(2)，(3)类作用还无法给予有效探测。如何探测希格斯粒子的第(2)，(3)类相互作用是下一代高能对撞机的主要任务。

125 GeV希格斯粒子在LHC上的发现成为一个历史转折点，人类由此进入了一个探索质量起源的新时代。那么我们将预期何种超标准模型的新物理呢？理论家们做过大量尝试，然而经得起推敲的理论却少见。列举以下几个新物理前沿方向，它们相当自然、简单和诱人，值得深入思考和研究。

(1)希格斯粒子与引力的相互作用。

(2)标度不变的新希格斯机制和暗物质。

(3)规范群结构的扩充。

(4)费米子代结构的扩充。

(5)宇称恢复，物质与暗物质的共同起源，LHC新希格斯粒子信号。

展望未来，我们对LHC进一步发现新物理和揭示自然界新物理定律保持乐观。值得反思的是，标准模型的希格斯粒子通过汤川作用产生所有费米子质量是相当任意的，每一种费米子都有各自的汤川耦合常数，无法从基本原理确定，只能由输入费米子质量实验值反过来推出汤川耦合常数，这与普适的规范耦合常数完全不同。为什么电子的汤川耦合常数如此微小？因此，标准模型希格斯粒子作为“上帝粒子”提供所有基本粒子的质量起源是非常牵强的，还远不是最终答案。

不仅如此，标准模型无法提供占宇宙中全部物质83%的暗物质，而已知标准模型粒子组成的可见物质仅占宇宙物质的17% 。而且，宇宙密度的72% 由同样神秘的暗能量充当。暗物质粒子必须是某种非标准模型的未知新粒子。宇宙中暗物质与暗能量的本质是什么？作为质量起源的上帝粒子是否与如此巨大的暗物质和暗能量有本质联系？上帝粒子究竟在宇宙中扮演什么样的终极角色？相当可能，真正的“上帝粒子”不是标准模型假设的最简单的希格斯粒子。

本文节选自《物理》2014年第1期

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