三、希格斯机制及其局限性

三、希格斯机制及其局限性 《自然杂志》１９卷４期的 ‘探索物理学难题的科学意义'的 ９７个悬而未决的难题：７０．Higgs粒子是否存在？ ７１．质量的起源是什么？７２．真正的对称自发破损的机理是什么？

（一）希格斯机制的由来 希格斯机制()是苏格兰物理学家彼得·希格斯

和其他理论物理学家同时发现的一种物理机制。如果粒子的运动方程满足规范不变原理，那么粒子的静止质量（以下简称为质量）必须为零，这种粒子一般被称为规范粒子。在规范场理论中，规范粒子的质量是为对称性所不允许的。这是杨-米尔斯理论的严重缺陷。随着对对称性破缺的深入研究，特别是南部-戈德斯通定理的发现，物理学家们发现在规范理论中零质量的南部-戈德斯通粒子能为零质量的矢量规范粒子提供纵向分量，从而赋予它们以质量。所谓“希格斯玻色子”的“上帝粒子”，是希格斯(Higgs)为解决当连续的对称性发生自发破缺，却出现一些静止质量为零、自旋为零的所谓：“戈德斯通(J．Goldstone)粒子”的玻色子的矛盾，而提出所谓 “希格斯机制”，认为：由于光子的静止质量为零，它不同于一般有静止质量的粒子“有3个极化方向”，而“只有两个与其动量方向垂直的横极化，没有沿运动方向的纵极化”。通常复标量场的两个实分量都是具有“非零的”静止质量。希格斯研讨满足定域 U(1)规范不变性的复标量场与电磁场的相互作用，当选取其中的一种特殊参数，使U(1)规范不变性遭到破坏的同时，却使得原应为光子的粒子，出现

了纵极化分量，静止质量不再是零。而标量场的两个有静止质量的分量，就只剩了一个。即：由于对称性发生了自发破缺，标量场的一个分量所转化为的零静止质量的戈德斯通玻色子，变成了原应为光子的粒子的纵分量，而成为具有静止质量的粒子。而标量场剩下的另一个有静止质量的分量就成为所谓的“希格斯粒子”。并认为它是一切粒子质量来源。

希格斯假设，整个宇宙空间充满了一种标量场，它的真空平均值不为零，从而导致真空自发对称破缺。这种破缺会导致质量为零的非真实的Goldstone粒子的存在，然而，如果标量场满足规范不变原理（即标量场与规范粒子耦合），当采取适当的规范（即幺正规范）后，Goldstone粒子将不再存在，而规范粒子将获得质量。这一质量获得机制今天被称为希格斯机制，而对应于标量场的粒子被称为希格斯粒子。从现在的基本粒子理论的角度看，对称性的主要破坏是一种“自发破坏”或者说是一种表观上的破坏，即所有基本粒子原始都无质量，它们之间的相互作用有拉格朗日量描述，该量具有完全的对称性，但相互作用的结果得出的总体的基态是简并的，其中有某中场的凝聚。实际的“宇宙”的基态是这些简并基态中某一个，而所有的激发态都是在此“特定基态”上的局部扰动，从而原来拉格朗日函数的对称性就不显示出来了/我们所观察的物理过程都是发生在某个特定背景上的，使原有的对称性不能显示出来。有些粒子的质量是由于它与空间凝聚场作用的结果。量子电动力学的微扰论计算可以给出与实验精密符合的结果，然而这个微扰展开都是不合理的。粒子物理的标准模

型引进了一个两分量的复标量场，即希格斯场，它共有四个自由度。在弱电$SU(2)\backslash \backslash times\; U(1)$对称群被希格斯场的势能所自发破坏后，希格斯场中的三个自由度被$SU(2)$的规范粒子所吸收而成为它们的纵向分量。这些规范粒子就是$W^\backslash \backslash pm$和$Z^0$玻色子（确切地说，$Z^0$是$SU(2)$和$U(1)$规范粒子的一个线性组合，它的正交组合是光子）。希格斯场的剩余自由度被称为希格斯玻色子。它还没有被高能实验所证实。

（二）希格斯机制的局限性

1993年，花费20多亿美元在德克萨斯州开凿了几十公里长的地下隧道后，美国国会参议院决定停止对超导超级对撞机计划(SSC)的拨款。寻找希格斯粒子，对粒子物理学标准模型进行最终检验的实验搁浅。几千物理学家失去工作，世界高能物理学界感到了空前的失落和沮丧。但物理学家的雄心并因此未受挫，之后由欧洲核子研究中心接手，通过了LHC计划，继续寻找希格斯粒子——标准理论失落的最后一环。该计划由世界多国协作，目前正在实施，估计2007年建成大型强子对撞机，2010年前出数据。所谓 “希格斯机制”和其中甚至被认为是一切粒子质量来源的“希格斯粒子”就成为迄今拯救所谓标准模型的唯一重要因素。但是，迄今，虽然已有足够能量的实验，已经多次努力，仍然尚未实际找到牵涉有关理论成立基础的，所谓“希格斯粒子”。希格斯场独立于希格斯机制，是标准模型中的一个方便假设。它并不是理论所必需的组成部分。在动力学对称破缺模型如工作色模型（)中，希格斯场为凝聚的费米子对（类似超导理论中的库柏对）所取代。只有在超对称标准模型中希格斯场才是真正基本的角色。在现代物理主流的标准模型中，所有基本粒子质量都源于黑格斯机制。这种机制虽然从唯象方面讲非常有效，但并不能给出其数量上的具体结果。因为在黑格斯场的汤川耦合中，耦合常数对于每一种费米子都有一个独立取值，至使标准模型的拉格朗日量所包含的、与质量直接有关的自由参数数目、比原先需要解释的质量参数数目还多。 实际上，在粒子质量起源问题上，黑格斯机制只不过把在粒子领域不能解决的问题，转嫁到了完全未知的真空领域。显然，这种用未知去解决未知，完全是逻辑学的不幸。