透過湯川耦合產生費米子質量(fermion masses through Yukawa couplings)
/ yoo-KAH-wah /
希格斯機制很自然地解釋了傳力粒子(W和Z)如何獲得質量,但物質粒子——電子、夸克及它們較重的表親——則是另一回事,它們需要自己的一套機械裝置。那套裝置就是湯川耦合:一種寫進理論的、每個物質粒子與希格斯場之間的直接交互作用。當希格斯場開啟到它非零的真空值時,這種交互作用就轉化為那個粒子的質量。所以費米子是靠同一個場獲得質量,只是與W和Z走的是不同的門。
具體地說,對每個物質粒子,理論裡都有一個數——它的湯川耦合——表示該粒子與希格斯場說話有多強。這個粒子的質量,就是那個湯川數乘以希格斯的真空值。一個大的湯川耦合,比如頂夸克的(接近於1),給出一個非常重的粒子;一個微小的湯川耦合,比如電子的(百萬分之幾),給出一個非常輕的粒子。這就是為什麼同一套機制既能產出羽量級的電子,又能產出重磅的頂夸克:場是同一個,但耦合數從一個粒子到另一個粒子相差懸殊。
湯川耦合是標準模型許多凌亂之處的來源。每個帶電費米子都有這樣一個數,而它們跨越了驚人的範圍——頂夸克大約比電子重34萬倍——然而理論並不預言其中任何一個;它們只是被測量出來再代入。為什麼這些質量分布在如此巨大的範圍裡,為什麼恰好有三代越來越重的副本,至今無解,有時被稱為「味之謎」。關於微中子的一點說明:它們微小的質量並不能舒服地納入這套簡單的湯川圖景,可能需要額外的機制,這本身就是一個活躍的研究前沿。
電子的湯川耦合約為0.000003,所以它的質量算出來很小(0.5 MeV)。頂夸克的接近於1,使它的質量約為173 GeV。同一個希格斯場,同一個公式(耦合乘以246 GeV的真空值),但耦合數相差幾十萬倍。
電子對頂夸克:同一個配方,耦合數卻天差地別。
湯川耦合是從實驗測出的輸入,不是理論的預言。為什麼它們跨度如此巨大,以及為什麼微中子質量不符合這套簡單版本,仍是未解的謎題。