基本介紹
- 中文名：希格斯機制
- 外文名：Higgs Mechanism
- 領域：量子力學
簡介,歷史,U(1)希格斯機制,概述,自發對稱性破缺,SU(2)×U(1)希格斯機制,標準模型,參閱,
簡介
在標準模型里，希格斯機制（英語：Higgs mechanism）是一種生成質量的機制，能夠使基本粒子獲得質量。為什麼費米子、W玻色子、Z玻色子具有質量，而光子、膠子的質量為零？希格斯機制可以解釋這問題。希格斯機制套用自發對稱性破缺來賦予規範玻色子質量。在所有可以賦予規範玻色子質量，而同時又遵守規範理論的可能機制中，這是最簡單的機制。根據希格斯機制，希格斯場遍布於宇宙，有些基本粒子因為與希格斯場之間相互作用而獲得質量。
更仔細地解釋，在規範場論里，為了滿足定域規範不變性，必須設定規範玻色子的質量為零。由於希格斯場的真空期望值不等於零，造成自發對稱性破缺，因此規範玻色子會獲得質量，同時生成一種零質量玻色子，稱為戈德斯通玻色子，而希格斯玻色子則是伴隨著希格斯場的粒子，是希格斯場的振動。通過選擇適當的規範，戈德斯通玻色子會被抵銷，只存留帶質量希格斯玻色子與帶質量規範矢量場。
費米子也是因為與希格斯場相互作用而獲得質量，但它們獲得質量的方式不同於W玻色子、Z玻色子的方式。在規範場論里，為了滿足定域規範不變性，必須設定費米子的質量為零。通過湯川耦合，費米子也可以因為自發對稱性破缺而獲得質量。
歷史
1964年，分別有三組研究小組幾乎同時地獨立研究出希格斯機制，其中，一組為弗朗索瓦·恩格勒和羅伯特·布繞特，另一組為彼得·希格斯，第三組為傑拉德·古拉尼、卡爾·哈庚和湯姆·基博爾。古拉尼於1965年、希格斯於1966年又各自更進一步發表論文探討這模型的性質。這些論文表明，假若將規範不變性理論與自發對稱性破缺的概念以某種特別方式連結在一起，則規範玻色子必然會獲得質量。1967年，史蒂文·溫伯格與阿卜杜勒·薩拉姆首先套用希格斯機制來打破電弱對稱性，並且表述希格斯機制怎樣能夠併入稍後成為標準模型一部分的謝爾登·格拉肖的電弱理論。
六位物理學者分別發表的三篇論文，在《物理評論快報》50周年慶祝文獻里被公認為里程碑論文。2010年，他們又榮獲理論粒子物理學櫻井獎。
因為“次原子粒子質量的生成機制理論，促進了人類對這方面的理解，並且最近由歐洲核子研究組織屬下大型強子對撞機的超環面儀器及緊湊μ子線圈探測器發現的基本粒子證實”，恩格勒、希格斯榮獲2013年諾貝爾物理學獎。
U(1)希格斯機制
概述
假定遍布於宇宙的希格斯場是由兩個實函式
、
組成的復值標量場
：
這是個波動方程，可以用來描述電磁波處於位勢的物理行為。從這方程，似乎找不到任何質量的蛛絲馬跡，但是假若將勢能泰勒展開於
：
自發對稱性破缺
量子力學的真空與一般認知的真空不同。在量子力學裡，真空並不是全無一物的空間，虛粒子會持續地隨機生成或湮滅於空間的任意位置，這會造成奧妙的量子效應。將這些量子效應納入考量之後，空間的最低能量態，是在所有能量態之中，能量最低的能量態，又稱為基態或“真空態”。最低能量態的空間才是量子力學的真空。
構想某種對稱群變換，只能將最低能量態變換為自己，則稱最低能量態對於這種變換具有“不變性”，即最低能量態具有這種對稱性。儘管一個物理系統的拉格朗日量對於某種對稱群變換具有不變性，並不意味著它的最低能量態對於這種對稱群變換也具有不變性。假若拉格朗日量與最低能量態都具有同樣的不變性，則稱這物理系統對於這種變換具有“外顯的對稱性”；假若只有拉格朗日量具有不變性，而最低能量態不具有不變性，則稱這物理系統的對稱性被自發打破，或者稱這物理系統的對稱性被隱藏，這現象稱為“自發對稱性破缺”。
SU(2)×U(1)希格斯機制
在標準模型里，SU(2)×U(1)希格斯機制是最簡單的一種賦予質量的機制，適用於弱電相互作用的SU(2)×U(1)規範場論。採用這種機制的標準模型稱為最小標準模型（minimal standard model）。在這模型里，希格斯場是復值二重態：
這種希格斯場是由兩個復值標量場，或四個實值標量場組成，其中，兩個帶有電荷，兩個是中性。在這模型里，還有四個零質量規範玻色子，都是橫場，如同光子一樣，具有兩個自由度。總合起來，一共有十二個自由度。自發對稱性破缺之後，一共有三個規範玻色子會獲得質量、同時各自添加一個縱場，總共有九個自由度，另外還有一個具有兩個自由度的零質量規範玻色子，剩下的一個自由度是帶質量的希格斯玻色子。三個帶質量規範玻色子分別是W、W和Z玻色子。零質量規範玻色子是光子。
標準模型
在標準模型里，假若溫度足夠高，物理系統的電弱對稱性沒有被打破，則所有基本粒子都不具有質量。當溫度降到低於臨界溫度，希格斯場會變得不穩定，會躍遷至最低能量態，即量子力學的真空，整個物理系統的連續對稱性因此被自發打破，W玻色子、Z玻色子、費米子也因此會獲得質量。
參閱
- 希格斯玻色子的實驗探索
