1、学科前沿知识专题讲座( 论文)题 目：Higgs 粒子之来龙去脉学生姓名：王 辉学 号：1409030208专业班级：应用物理学 14-2 班指导教师：周 伟2017 年 11 月 1 日Higgs 粒子之来龙去脉王 辉 1（中国石油大学（华东） 理学院，山东青岛 266580）摘 要：2012 年 7 月，欧洲核子中心 CERN 的大型强子对撞机(LHC)上的 CMS 与 ATLAS 实验组相继宣布发现了质量在125 GeV 附近的新粒子。其后，基于更多的数据和更深入的分析，CERN 于 2013 年 3 月 14 日发表：“新的结果表明CERN 发现的粒子是 Higgs 玻色子”。物质由何
2、处获得质量，质量的本质又是什么？在牛顿力学中，质量是物质的固有属性，未涉及到探究其源到底是什么。在听了本次的前沿知识专题讲座以及查阅了相关资料后，对此才有了较为明晰的认识。但是，故事刚刚开始，这桃源如何能在纷繁吵杂的打扰中保持它的清秀美丽，一定有它的原因。走，我们去看看。关键词：质量来源；希格斯机制；Higgs 粒子；CERN中图分类号：O 426.3 文献标识码：A 文章编号：The Origin and Development of Higgs ParticlesWang Hui（College of Science, China University of Petroleum(East
3、China), Qingdao, Shandong, China 266580）Abstract：In July 2012, the CMS and ATLAS experiments on the Large Hadron Collider (LHC) at the European Center for nuclear CERN announced the discovery of a new particle with a mass of 125 GeV.Later, based on more data and more in-depth analysis, CERN publishe
4、d in March 14, 2013: “the new results show that the particles found by CERN are Higgs bosons“.From where to get quality, and what is the essence of quality? In Newtonian mechanics, the quality is the inherent attribute of substance, not related to explore the sources in the end is what.After listeni
5、ng to the forefront of knowledge lectures and consulting the relevant information, this has a clearer understanding.However, the story has just begun, how can Taoyuan in the noisy disturb to maintain its beautiful and beautiful, there must be its reason. Lets go to have a look.Keywords: The quality
6、of the source; Higgs mechanism; Higgs particle; CERN物体由何处获得质量？质量的本质又是什么？在牛顿力学中，质量是物体一种固有的性质，物体质量由它的密度和体积决定，这实际上是一个含混而狡黠的定义，因为物体的密度又是由质量来决定。物理学家们一直追寻质量的本质问题，直到找到 Higgs 粒子即希格斯玻色子，物理学家们才确定物质获得质量的真正原因。作者简介：王辉（1993-），男，汉族，甘肃会宁人，应用物理学专业 2014 级本科生，现从事粒子物理与原子核物理方面研究。Tel.: 17854217986；E-mai: 。照片尺寸为20mm*30mm；
7、最好不用红色背景一直以来，我一直被这种科学的魅力深深吸引，在学习了四大力学的学习过程当中，才真正对这类问题的理解有了大概的认识。其实，理解客观世界的组成和相互作用的规律一直是物理学发展的目标之一，至上世纪 60 年代，人们已经发现了和电灯电脑等相关的电磁相互作用以及和原子弹相关的弱作用可以用统一的理论来描述，但是传播这两种作用力的粒子是不同的：传播电磁相互作用的光子是无质量的，而传播弱作用的 W 粒子是很重的（约为 80 个质子那么重）。为了调和这种矛盾，Higgs（英国物理学家）等人从超导物理中借用灵感提出了 Higgs 机制，利用这种机制可以统一两种相互作用，但是得假定引入新的粒子，即 H
8、iggs 粒子。这种机制简单说来，就像人在空气走行走很自由，很快，但是在水中走就比较慢，这里“慢”指的不是速度慢，而是想改变速度不容易突然跑起来不容易，突然停下来也不容易。这种改变速度难易的程度就是质量的表征。1 Higgs 粒子为什么重要希格斯玻色子被认为是物质的质量之源，它是“标准模型”这一粒子物理学理论中最后一种未被证实的粒子，但是它的存在却是整个“标准模型”的基石。因此，它被称为粒子物理学的“圣杯”，也被称为“上帝粒子”，充满了神秘色彩。因为按照现代粒子物理标准模型，希格斯粒子是一切物体质量的来源。因为有了它，物质才有了质量。而现在其它基本粒子都已经被发现和证实，只有希格斯粒子任然没被
9、证实。说到这里我们还得从一个神秘的强子对撞机说起。如图1所示，这是瑞士日內瓦西北部的郊區，左边已经能看到法国边境处的农田，背景是美丽的日内瓦湖。漂亮的建筑，翠绿的草坪，你可能很难想象，在这一片宁静祥和的美景之下，隐藏着一个巨大的科学工程：欧洲核子中心的大型强子碰撞机。图 1：CERN 的强子加速器 LHC欧洲核子中心（CERN），可以说是世界上科学研究最前沿的地方。二十多年之前，万维网在这儿悄然诞生，之后的发展有目共睹。2012年，这个组织宣告找到了“上帝粒子”的消息震惊了全世界。第二年，CERN 的实验物理学家们基本确认发现了 “上帝粒子 ”（希格斯粒子）之后，诺贝尔委员会将2013年的物理
10、奖授予了与此相关的两位理论物理学家：弗朗索瓦恩格勒和彼得希格斯 1。大型强子对撞机LHC隐藏在100米深的地下，位于一个周长27公里的巨大的环形隧道内。当年，全世界各国的科学团体联合建造这个世界上最大粒子加速器的主要目的，就是为了寻找希格斯粒子。这是一台世界上最昂贵的显微镜，几年来，世界各国合作的总耗资达到130亿美元，上万人为此日夜辛勤工作，目的就为了追踪一个平均寿命只有1.5610 22秒（s）的小小的基本粒子！我一直有这么一个观点，在上核反应堆工程时曾和曹贞斌老师讨论过。这个不平常的“小东西”不是天外来客，因此，与其说是CERN“发现”了希格斯粒子，还不如说是对撞机“制造”出了希格斯粒子
11、。是科学家们让LHC隧道中的两束质子，以每秒11245圈的速度（接近光速）狂奔后相撞，在极小的空间内爆发出等于十万倍太阳温度的超级高温，并释放出大量的能量和粒子，希格斯粒子就有可能产生在其中。不过，质子碰撞产生希格斯粒子的几率很小，每1012次的对撞，才可能产生一次。并且，希格斯粒子一旦产生后转瞬即逝，在10亿分之一秒的时间内就会衰变成其它的粒子。这就是为什么LHC耗资如此巨大，因为要想捕捉到希格斯粒子太不容易了。我们信仰的是马克思的科学社会主义，用辩证唯物主义和历史唯物主义的观点看待问题。虽然有人将其称之为“上帝粒子”，但希格斯粒子与上帝，或者与上帝的存在与否，个人认为丝毫无关。它也不是什么
12、新闻媒体所大肆渲染的世界上一切物质的“质量来源”。说得准确一点，它是为大多数物理学家所认可的“标准模型”理论中其它的基本粒子，提供了一个“质量来源”的机制。2 促使希格斯波色子的出现及未来物理学研究目标为什么需要为标准模型中的粒子提供“质量来源”？我在一本杂志上看到过：当杨振宁在普林斯顿高研院作报告时，泡利提出了有关质量的问题。这个问题当时就给了杨振宁当头一棒，并且也使得规范场的理论沉寂多年无法应用。杨-米尔斯场理论是将电磁作用的模式推广到非阿贝尔群。在电磁规范理论中，“光子”作为满足“局域规范不变”的要求而被人为引进，带电荷的粒子通过交换光子而相互作用，因此，人们把光子称为电磁作用的“中间玻
13、色子”。除了电磁作用之外，还有弱作用（或强作用，这儿只以弱作用为例），它是否也可以看成是粒子之间通过交换某种“中间波色子”而作用的呢？图2：粒子碰撞过程图这种想法和类比如此美妙，使理论物理学家们难以放弃。但是，这其中有一个与质量有关的困难：如果要求被推广的理论满足规范不变的条件，其中引入的“中间玻色子”必须是没有质量的。众所周知，光子没有静止质量，因而它按照狭义相对论允许的最大速度- 光速运动，也就是说，规范理论需要的“光子”，正好符合规范不变所要求的无质量的条件，也正好符合相对论“光速不变”原理和相关实验事实。但是，如果将这点用于弱相互作用，认为弱作用的“中间玻色子”也都没有质量的话，就产生
14、了一系列的问题。3 质量为0及不为0的粒子有何不同？实际上在我们学习量子力学的过程中会发现，量子力学中处处暗含着无穷，但是我们都不愿去碰，因为在爱因斯坦相对论中都是处于有界。速度：质量为0粒子以光速运动，质量不为0的粒子速度小于光速；自旋：如果粒子自旋为1，质量为0的粒子只有两个自由度（1、-1），质量不为0的粒子有三个自由度（1、0、-1 ）。这样一来，基本粒子的非零质量给规范理论带来这么多的麻烦，而物理学家又舍不得规范理论的数学美。那么，是否可以首先假设这些粒子没有质量来构造出漂亮的理论，然后，再从规范理论之外去寻找一种方法，给所有的粒子加上它应该有的质量呢？于是，各种方案应运而生，这其中
15、，最简单的、大多数人最喜欢的一种，便是在1964年由三组研究人员独立提出的希格斯机制。希格斯机制最初的思想来自于对超导现象的解释。上世纪50年代，前苏联物理学家朗道和Ginzburg在描述超导时，引进了一个标量场，这个场有不为零的真空值（由于自发对称破缺）。该场与光子相互作用时，将使得光子带有质量，因此在超导内部的电磁场能量很高，产生超导效应。希格斯等将这种让光子产生质量的方法用于粒子物理中，为基本粒子产生质量，谓之希格斯机制。朗道等引入的标量场便类似于现在所说的“希格斯场”。根据量子场论的观点，每种场都对应一种粒子，希格斯场对应希格斯粒子。并非只有希格斯机制才能为基本粒子赋予质量，所以，即使
16、仍然使用规范理论，也不是一定要有Higgs粒子来提供质量，还可以有别的方法。如果再深究一下质量到底是什么？质量如何起源？我们也许未必见得能完美地回答这个问题，但由爱因斯坦相对论所得出的质能关系：E= mc2，质量和能量是互相联系的。起码可以说质量的一部分可以来源于能量，这种质量与Higgs粒子没什么关系。我记得在上量子力学时，陈东猛老师说过：从现代场论的观点，场的激发态便表现为粒子。在查阅的相关资料可以看到：希格斯场的真空态有4种激发模式，其中沿着势能曲线对称轴绕圈的相位变化模式有3种，对应于3种质量为0的Goldstone粒子，这些粒子在与其它粒子反应时消失不见，叫做被“吃”掉了，只有一种沿
17、着势能曲线“径向”振动的激发模式对应于有质量的场粒子，也就是被大家称之为“上帝粒子”的希格斯粒子。我门可以这样说，希格斯粒子解决了质量的问题，物理学家们得以在杨-米尔斯规范场的基础上建立理论，将除了引力之外的其它三种力，统一在同一个标准模型中。标准模型包括了61种基本粒子，而希格斯粒子是这些粒子中，最后一个被“发现”的。因此，如果能够确定CERN的LHC探测到的的确是希格斯粒子的话，毫无疑问这是验证标准模型的一个重要里程碑。4 心得与体会（1）对于论文。以自己的粗浅的了解，结合老师上课所做的介绍，加之查阅了大量的文献，写了这篇报告。这是目前我所能懂的最大限度，我相信在以后的学习中我将填充自己在
18、这部分当中的欠缺。（2）对于课程。学科前沿知识专题讲座对我来说是一门非常有开设价值，并且很有意义的一门课。它有助于我们了解学科当前的发展前沿，使我们能够树立自己在今后要发展方向，明确学科在哪部分有发展空间，结合自己的兴趣爱好，为自己将来的道路定标。（3）对于学科。我们学习了五小力学：力、热、电、光、原，学习了四大力学：电动力学、理论力学、量子力学、热力学与统计物理。总感觉缺了点什么，是什么呢？慢慢的我发现：要是把这些学科列为纵向，我们都是学一门就是单独的一门，却没有一门课程来横向贯穿以寻求各科之间的联系和交缘。我查阅过，但是在国内的高校目前没有一个，在我看来这样的课程更有助于学习且为科研中某些
19、问题的攻克带来福音。我知道出书是个费心又费力的活，但我还是希望这本书能出在中国石油大学（华东），我给它起名为物理交缘。（4）对于物理。我一直怀揣着对物理学的热爱，尽管其中充满坎坷，或许因为曾经的过失有不少人的质疑你是否有物理学素养。刘学峰老师在上课时曾说：“我觉得我的智力也一般，但你在一个领域坚持上十年，相信你也会成为专家，最难的就是十年。”。“细推物理须行乐，何用浮名绊此生”或许因为选择所以热爱，这更加坚定了我毅然走下去的决心和勇气，或许成功还很远。（5）对于本科。不经意间快到了尾声，经历了多少辛酸雨露我觉得都已经不重要了。几乎在每一次的打击中都离不开周伟老师的鼓励和指导，就这样四年了。我觉得我学会的就是如何去分配我的时间，遇到问题时我将不再盲目而是静下来思考清楚再行动，培养了能够独立自主的去完成自己的计划和任务的素养，锤炼了我坚强而不悲观的心理素质。参考文献1 “Press releasefrom Royal Swedish Academy of Sciences“. 8 October 2013. Retrieved 8October 2013.
