在Higgs機(jī)制的的構(gòu)想提出50年以后，粒子物理學(xué)家終于捕捉到了Higgs玻色子。因此諾貝爾評委會將這一殊榮頒發(fā)給了這一實驗的兩位理論啟發(fā)者。一位是來自布魯塞爾自由大學(xué)的Fran?ois Englert，另一位是來自英國愛丁堡大學(xué)的Peter Higgs，他們各自獨立的提出了解釋粒子為何會有質(zhì)量的模型，在這一模型中，需要一個新粒子的參與，那就是Higgs玻色子。這兩篇文章都發(fā)表在1964年的物理學(xué)評論快報（Physical Review Letters）上。

在幾十年的搜尋后，Higgs玻色子補(bǔ)上了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一個缺口。2012年六月，歐洲核子研究中心（CERN）激動的宣布大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）發(fā)現(xiàn)了一種與Higgs玻色子屬性一致的粒子，這意味著科學(xué)家們已經(jīng)確證了物質(zhì)質(zhì)量的基本理論。

嚴(yán)格地說，Higgs玻色子并不直接賦予物質(zhì)質(zhì)量。更加準(zhǔn)確的說法是，Higgs玻色子是一種場（Higgs場）量子化的表現(xiàn)，它們通過和其他粒子相互作用而產(chǎn)生質(zhì)量。但是，為什么不能認(rèn)為質(zhì)量是先驗的就被賦予的呢？

要回答這個問題還要回到量子場論前期的工作。量子場和其他形式的場相似，就像電磁場一樣。但是量子場具有激發(fā)態(tài)，這種激發(fā)態(tài)在我們觀察起來就是粒子。這些量子場可以分為物質(zhì)場和作用力場兩種，物質(zhì)場的粒子是實體粒子，如電子、夸克等，而作用力場的粒子是傳遞相互作用的粒子，如光子和膠子。在上世紀(jì)40年代末，理論學(xué)家的工作表明，光子和電子的量子場理論能夠成功的解釋在高能情況下的電磁相互作用（就是我們熟知的量子電動力學(xué)QED）。

但是，QED模型在試圖解決核相互作用的時候遇到了麻煩。弱相互作用力是一種核力，也是一種短程力，這說明和這種力相對應(yīng)的粒子是有質(zhì)量的，而不像電磁相互作用對應(yīng)的光子是無質(zhì)量的。如果我們簡單的賦予這種玻色子質(zhì)量，會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，在計算中會導(dǎo)致結(jié)果發(fā)散到無限大。在60年代早期，理論學(xué)家都在忙著尋找另一種手段將質(zhì)量引入理論框架里。

這個問題的解決方法由Higgs，Englert和Robert Brout（曾經(jīng)與Englert一起工作于布魯塞爾自由大學(xué)，已經(jīng)去世）提出，他們假設(shè)空間內(nèi)彌漫著一種場，這種場與弱相互作用介子相互作用，并賦予它們質(zhì)量。這是因為他們假設(shè)Higgs場在真空中并不是0。這樣一種非零背景場和量子場論中的基本對稱性相沖突。早期的工作表明這樣一種對稱性的破缺會產(chǎn)生一種無質(zhì)量無自旋的粒子，實驗上已經(jīng)排除了它[1]。Englert，Brout和Higgs向人們展示了如果我們將這種背景場和弱相互作用耦合，就能讓這種令人不愉快的粒子消失。其結(jié)果就是這些粒子會獲得第三種自旋態(tài)，剩下的無自旋但有質(zhì)量的粒子就是Higgs玻色子。類似的理論模型也在同一年由第三個理論小組提出[2]。

科學(xué)家們隨后的工作表明Brout-Englert-Higgs機(jī)制（簡稱Higgs機(jī)制）不僅僅可以給弱相互作用粒子以質(zhì)量，同樣可以賦予電子、夸克和其他基本粒子質(zhì)量。粒子與Higgs場的相互作用越強(qiáng)，其質(zhì)量就越大。然而值得一提的是，對于有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的粒子來說，例如質(zhì)子，核子，原子等等的粒子，其大部分的質(zhì)量并不來自于Higgs機(jī)制，而是來自于其各個組成部分的結(jié)合能。

“Brout, Englert和Higgs提出了一個非常聰明的想法，就是我們現(xiàn)如今知曉的Higgs機(jī)制。它為一個基本問題提供了答案，為什么粒子會有質(zhì)量？這種問題雖然看起來很簡單，卻發(fā)人深省，很多人都沒有想過這會是個問題?！眮碜灾ゼ痈绱髮W(xué)的Michael Turner說道。為了驗證這一機(jī)制的正確性，粒子物理學(xué)家們建立了LHC，這也是人類歷史上建設(shè)的最有技術(shù)含量的實驗儀器，CMS實驗組的發(fā)言人Joseph Incadela說道，其中CMS是設(shè)立于LHC中的一個用來探測Higgs玻色子的探測器。“我覺的當(dāng)人們看到這一切，會覺得粒子物理開似乎開始了類似于登月這樣的任務(wù)。”

猜想粒子和發(fā)現(xiàn)粒子。Peter Higgs, 2013年諾貝爾物理學(xué)獎得主之一，這是他站在歐洲粒子物理實驗室CMS探測器前的照片，CMS是大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）中的一部分?？茖W(xué)家們利用CMS探測去去發(fā)現(xiàn)50年前預(yù)言的Higgs玻色子。

References

1. J. Goldstone, “Field theories with Superconductor Solutions,” Nuovo Cimento 19, 154 (1961); J. Goldstone, A. Salam, and S. Weinberg, “Broken Symmetries,” Phys. Rev. 127, 965 (1962).
2. G. S. Guralnik, C. R. Hagen, and T. W. B. Kibble, “Global Conservation Laws and Massless Particles,” Phys. Rev. Lett. 13, 585 (1964).

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F. Englert and R. Brout