真空期望值(vacuum expectation value)
/ VEV = vev /
通常我們以為空蕩的空間裡什麼都沒有——把所有空氣和粒子都抽走,就得到一個完美的真空。但對希格斯場來說,最低能量的「空」態並不是什麼都沒有:這個場在各處都停在一個確定的、非零的水平上,即便在最深的真空裡也如此。這個駐留的背景值——場在完全空無的空間裡所保持的水平——就是它的真空期望值,通常簡稱VEV。它就像一座被淹沒的山谷裡靜止的水面:不是浪,不是事件,只是那條始終存在的恆定基線。
定量地說,希格斯的真空期望值就是場在墨西哥帽勢的環邊上停下來的位置,它的測量值約為246 GeV(在粒子物理裡用作場值代用的能量單位)。這一個數,定下了所有從希格斯獲得質量的東西的質量尺度。任何粒子的質量,等於真空期望值乘以該粒子與希格斯場耦合的強度:強耦合乘以246給出重粒子,微小耦合給出輕粒子。W和Z玻色子的質量、電子和夸克的質量,全都是這個真空期望值乘以它們各自的耦合強度。如果真空期望值為零,這些粒子就全都沒有質量。
真空期望值是「希格斯場被打開了」這句口號背後的具體數字。它標記了電弱對稱性破缺的尺度——大致是把早期宇宙倒著回放時,希格斯場會重新化為零、對稱性會恢復的那個能量。一點有用的提醒:246 GeV這個值以及各種耦合強度,都是從實驗測出來的輸入,並不是標準模型從第一性原理預言出來的;而真空期望值為何恰恰停在這個尺度上(而不是高得多),正是懸而未決的等級問題。
W玻色子的質量大約等於它的耦合強度的一半乘以希格斯真空期望值246 GeV,得到約80 GeV——與實驗吻合。把真空期望值代成零,W就會變得沒有質量。一個數字,246 GeV,錨定了整個電弱部分的質量譜。
質量 = 耦合 x 真空期望值:每一份希格斯賦予的質量都追溯到同一個246 GeV。
真空期望值不是「以粒子形式」儲存、可供你提取的能量;它是一個場的靜止水平。它的數值(246 GeV)是測出來的,不是推導出來的;解釋它為何相對其他尺度如此之小,是一個未解的難題。