戈德斯通玻色子(the Goldstone boson)
/ GOLD-stohn /
回到那顆停在墨西哥帽環形凹槽裡的彈珠。它在某一點安頓下來之後,擾動它有兩種截然不同的方式。把它往凹槽陡峭的內壁上推,這要耗真正的能量,而且它會滾回來——那是一個「硬」方向。但若把它沿著凹槽平坦的底部往側旁輕推,則幾乎完全不耗能量,因為環上每個點都一樣低。這兩個方向對應著兩種不同的粒子。那個毫不費力、平坦的側向方向,對應一個無質量的粒子,那就是戈德斯通玻色子。
一條普遍的規則,叫戈德斯通定理,它說:每當一個連續對稱性被自發破缺,破缺所打開的每一個「平坦方向」,你都會自動得到一個無質量的粒子。這些無質量的粒子就是戈德斯通玻色子。在某些物理系統裡,它們是真實、可觀測的粒子——例如核物理中的π介子,其行為近似於強交互作用某個近乎被破缺的對稱性的戈德斯通玻色子。所以戈德斯通定理絕非紙上奇談;它在強子世界裡有直接的實驗印記。
但在希格斯的情形裡,發生了一件特別的事。那裡被破缺的對稱性是規範對稱性,而不是普通的整體對稱性,而對於規範對稱性,本應出現的戈德斯通玻色子並不會作為自由的無質量粒子留下來。相反,每一個都被一個傳力玻色子吸收——「吃掉」——成為有質量的W或Z所需要的那個額外的第三種偏振。所以在標準模型裡,本應出現的三個戈德斯通玻色子根本不會作為單獨的粒子現身;它們恰恰就是把無質量的W和Z變成有質量的那個東西。「本應出現的戈德斯通玻色子」這一說法正抓住了這一點:它們在數學上是真實的,卻從未被單獨看到。
在電弱理論裡,希格斯場有四個分量。其中三個是本應出現的戈德斯通玻色子;當對稱性破缺時,它們被W+、W-和Z吃掉而變重。第四個分量則是那個陡峭、費力、向帽壁上爬的方向——那就是物理的希格斯玻色子,它確實有質量,也是我們能探測到的。
三個平坦方向被W/Z吃掉;那個唯一陡峭的方向就是希格斯玻色子。
當規範對稱性破缺時,戈德斯通玻色子不會作為自由粒子被看到——它們成為有質量規範玻色子的縱向偏振。只有當整體(非規範)對稱性破缺時,它們才會作為單獨的粒子出現。