希格斯机制

戈德斯通玻色子(the Goldstone boson)

/ GOLD-stohn /

回到那颗停在墨西哥帽环形凹槽里的弹珠。它在某一点安顿下来之后,扰动它有两种截然不同的方式。把它往凹槽陡峭的内壁上推,这要耗真正的能量,而且它会滚回来——那是一个「硬」方向。但若把它沿着凹槽平坦的底部往侧旁轻推,则几乎完全不耗能量,因为环上每个点都一样低。这两个方向对应着两种不同的粒子。那个毫不费力、平坦的侧向方向,对应一个无质量的粒子,那就是戈德斯通玻色子。

一条普遍的规则,叫戈德斯通定理,它说:每当一个连续对称性被自发破缺,破缺所打开的每一个「平坦方向」,你都会自动得到一个无质量的粒子。这些无质量的粒子就是戈德斯通玻色子。在某些物理系统里,它们是真实、可观测的粒子——例如核物理中的π介子,其行为近似于强相互作用某个近乎被破缺的对称性的戈德斯通玻色子。所以戈德斯通定理绝非纸上奇谈;它在强子世界里有直接的实验印记。

但在希格斯的情形里,发生了一件特别的事。那里被破缺的对称性是规范对称性,而不是普通的整体对称性,而对于规范对称性,本应出现的戈德斯通玻色子并不会作为自由的无质量粒子留下来。相反,每一个都被一个传力玻色子吸收——「吃掉」——成为有质量的W或Z所需要的那个额外的第三种偏振。所以在标准模型里,本应出现的三个戈德斯通玻色子根本不会作为单独的粒子现身;它们恰恰就是把无质量的W和Z变成有质量的那个东西。「本应出现的戈德斯通玻色子」这一说法正抓住了这一点:它们在数学上是真实的,却从未被单独看到。

在电弱理论里,希格斯场有四个分量。其中三个是本应出现的戈德斯通玻色子;当对称性破缺时,它们被W+、W-和Z吃掉而变重。第四个分量则是那个陡峭、费力、向帽壁上爬的方向——那就是物理的希格斯玻色子,它确实有质量,也是我们能探测到的。

三个平坦方向被W/Z吃掉;那个唯一陡峭的方向就是希格斯玻色子。

当规范对称性破缺时,戈德斯通玻色子不会作为自由粒子被看到——它们成为有质量规范玻色子的纵向偏振。只有当整体(非规范)对称性破缺时,它们才会作为单独的粒子出现。

又称
Nambu-Goldstone bosonwould-be Goldstone南部-戈德斯通玻色子