電弱對稱性破缺(electroweak symmetry breaking)
/ EWSB /
在早期宇宙極高的能量下,電磁力和弱交互作用並不是兩種分開的力——它們是單一、統一的「電弱」力,有四個地位完全平等、且都沒有質量的傳力粒子。我們所生活的世界看起來很不一樣:我們有電磁力,由無質量的光子傳遞、能橫跨整個房間;還有一種分開的、作用範圍極短的弱交互作用,由沉重的W和Z玻色子傳遞。電弱對稱性破缺,就是把那一種統一的力分裂成這兩種的事件,也正是希格斯機制所執行的那項具體工作。
下面就是所發生的事。統一理論一開始在它的四個電弱場之間有一種完美的對稱性。當早期宇宙冷卻到一個臨界溫度以下,希格斯場沿著它的墨西哥帽勢滾落,停在一個非零的真空值上,打破了對稱性。結果是一次精確的重新洗牌:四個傳力粒子中的三個吸收了希格斯場的片段,變成有質量的W+、W-和Z玻色子,而某一個特定的組合保持無質量,就是我們認識的光子。一個混合角(溫伯格角)精確地控制著原來的場如何混合成光子和Z。所以光子和W/Z並不是互不相干的粒子——它們是同一個被破缺的對稱性留下的不同殘餘。
電弱對稱性破缺是弱交互作用之所以弱且作用範圍短(它沉重的傳遞者難以產生、很快消亡)、而電磁力作用範圍長(它的傳遞者無質量)的原因。它是標準模型電弱部分的中心組織事件,也是物質粒子之所以能有質量的根由。為了把邊界劃清,一點誠實的告誡:破缺搭好了舞台,但W和Z玻色子究竟如何行事的詳細唯象——它們的衰變、它們的產生、對電弱理論的精確檢驗——是另一個話題;這裡聚焦的是對稱性破缺這個事件本身。
破缺前:四個無質量的電弱傳遞者,地位平等。破缺後:光子保持無質量(賦予電磁力無限的作用範圍),而W和Z變重(使弱交互作用作用範圍變短)。混合它們的那同一個溫伯格角已被精確測量,並在許多實驗中與理論吻合。
一種統一的力分裂為長程的電磁力和短程的弱交互作用。
光子和W/Z來自同一個被破缺的對稱性——它們不是彼此獨立的力。是破缺使弱交互作用變成短程的;並不是弱交互作用從一開始就被「設計」得很弱。