粒子物理與標準模型

希格斯機制

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標準模型的核心有一個弔詭:支配各種力的美麗規範對稱,斷然禁止弱交互作用的力攜帶者擁有質量——然而 W 與 Z 玻色子卻是我們所知最重的粒子之一。希格斯機制就是這個弔詭的化解。它說,空無一物的真空其實並非真的空,而是處處被一個場填滿,粒子與這個場的交互作用,正是我們所感知的質量。在希格斯場中跋涉,你就獲得慣性;你耦合得越強,就越重。

希格斯機制是自發對稱破缺在電弱層面的實現。引入一個純量場,其位能的最低點不在零、而在某個非零值,於是這個場處處安頓到一個定值、非零的真空期望值 v 約 246 GeV。這自發地把電弱 SU(2) x U(1) 對稱破缺到電磁的 U(1)。這個破缺本應產生的無質量戈德斯通玻色子被 W+、W- 與 Z 吸收——「吃掉」——它們因此獲得質量,而光子保持無質量。費米子則透過與同一個場另外的湯川耦合而獲得質量,每個費米子的質量正比於它的耦合乘以 v。這個場剩下的唯一漣漪就是希格斯玻色子,2012 年在 LHC 被發現。

對於希格斯到底解釋了什麼、沒解釋什麼,誠實至關重要。它賦予 W、Z 與基本費米子質量,它的耦合說明了夸克與輕子質量那奇怪的分布——但只是靠以人工方式固定每個耦合,所以它是把謎重新整理,而非解決。而它幾乎沒有解釋普通物質的質量:一個質子超過 98% 的質量是 QCD 束縛能,而非它的夸克由希格斯所賦予的質量。希格斯賦予基本粒子它們內稟的質量;你能握在手裡的世界,其質量大部分是強場的能量。

在未破缺的電弱理論中,光子與 W 玻色子起初是手足,但當希格斯場開啟後,光子保持無質量、可永遠旅行,而 W 則獲得 80 GeV 的質量,所傳遞的力在一個質子的寬度之內就消逝——同一個機制,相反的結果。

一個對稱破缺的場,就說明了為什麼光是長程的、弱力卻不是。

賦予質量的是希格斯場,而非希格斯玻色子;玻色子只是那個場可觀測的量子激發,而它 2012 年的發現,正是那個場真實存在的確認。

又称
Brout-Englert-Higgs mechanismelectroweak symmetry breaking希格斯機制