通过汤川耦合产生费米子质量(fermion masses through Yukawa couplings)
/ yoo-KAH-wah /
希格斯机制很自然地解释了传力粒子(W和Z)如何获得质量,但物质粒子——电子、夸克及它们较重的表亲——则是另一回事,它们需要自己的一套机械装置。那套装置就是汤川耦合:一种写进理论的、每个物质粒子与希格斯场之间的直接相互作用。当希格斯场开启到它非零的真空值时,这种相互作用就转化为那个粒子的质量。所以费米子是靠同一个场获得质量,只是与W和Z走的是不同的门。
具体地说,对每个物质粒子,理论里都有一个数——它的汤川耦合——表示该粒子与希格斯场说话有多强。这个粒子的质量,就是那个汤川数乘以希格斯的真空值。一个大的汤川耦合,比如顶夸克的(接近于1),给出一个非常重的粒子;一个微小的汤川耦合,比如电子的(百万分之几),给出一个非常轻的粒子。这就是为什么同一套机制既能产出羽量级的电子,又能产出重磅的顶夸克:场是同一个,但耦合数从一个粒子到另一个粒子相差悬殊。
汤川耦合是标准模型许多凌乱之处的来源。每个带电费米子都有这样一个数,而它们跨越了惊人的范围——顶夸克大约比电子重34万倍——然而理论并不预言其中任何一个;它们只是被测量出来再代入。为什么这些质量分布在如此巨大的范围里,为什么恰好有三代越来越重的副本,至今无解,有时被称为「味之谜」。关于中微子的一点说明:它们微小的质量并不能舒服地纳入这套简单的汤川图景,可能需要额外的机制,这本身就是一个活跃的研究前沿。
电子的汤川耦合约为0.000003,所以它的质量算出来很小(0.5 MeV)。顶夸克的接近于1,使它的质量约为173 GeV。同一个希格斯场,同一个公式(耦合乘以246 GeV的真空值),但耦合数相差几十万倍。
电子对顶夸克:同一个配方,耦合数却天差地别。
汤川耦合是从实验测出的输入,不是理论的预言。为什么它们跨度如此巨大,以及为什么中微子质量不符合这套简单版本,仍是未解的谜题。