2013年12月5日

把「光子」變重了—基本粒子的質量起源

理論物理學家布繞特、盎格列與希格斯的數頁推演,揭開了長達半世紀之久的史詩,搜尋所謂的神之粒子。

作者侯維恕(任教台灣大學物理學系)


對一般人而言,「質量從哪裡來?」似乎問得不著邊際,但對於粒子物理學家卻是一個最深刻的問題。方司瓦.盎格列(François Englert, 1932~ 與他已過世的同事羅伯. 布繞特(Robert Brout, 1928~2011), 以及彼得. 希格斯(Peter Higgs, 1929~),在1964 年分別提出理論,說明何以能讓傳遞作用力的粒子變得有質量,以至於弱作用力可以與電磁作用力融合為「電弱作用」。這個通稱希格斯機制的理論發現,今後的正式名稱將是「BEH機制」,以紀念無緣獲獎的布繞特。

諾貝爾物理委員會今年所引用的得獎理由,是歷來最長的。除了盎格列與希格斯獲獎是因為「理論上發現一種有助我們了解次原子粒子質量起源的機制」,更強調「所預測的基本粒子最近被歐洲核子研究中心大強子對撞機的ATLASCMS實驗找到,因而獲得證實」。這便是大家近來耳熟能詳的希格斯粒子,俗稱「神之粒子」。超導環場探測器(A Toroidal LHC Apparatus, ATLAS)與緊湊緲子螺管偵測器(Compact Muon Solenoid, CMS)實驗於201274日在歐洲核子研究組織(CERN)宣布「找到了!」質量約126 GeV/c2(基本粒子質量單位,GeV10億電子伏特,c為光速),在銫與鋇原子質量之間。這兩個實驗,台灣都有參加,而花了近50年才找到的這顆上帝粒子,終於完成了粒子物理標準模型的最後一塊拼圖。盎格列與希格斯也在發現一年後,分別以8184歲高齡得到了期待已久的榮譽。

圖一:希格斯粒子的實驗發現:左為ATLAS實驗所記錄的一個H μ μ μ μ的「四渺子」事例,右為CMS實驗所紀錄的一個H0 γγ 的「雙光子」事例。

從實驗發現到理論得獎
今年7月歐洲高能物理大會在瑞典斯德哥爾摩舉行,歐洲物理學會特別將2013年「高能與粒子物理獎」頒給ATLASCMS實驗,理由是:發現一顆希格斯粒子,與布繞特–盎格列–希格斯機制所預測的相符。此獎也同時頒給ATLAS實驗的第一位發言人葉尼與CMS實驗的頭兩位發言人戴拉內格拉及弗迪以表彰三人的貢獻。筆者本身以及台大也參與了CMS實驗,算是沾了邊,但這兩個實驗分別有約3000人參與,在台灣還有中大參與CMS、中研院參與ATLAS。布繞特、盎格列與希格斯則早在1997年便已榮獲此獎。從諾貝爾委員會已將歐洲核子研究中心CERNATLASCMS的貢獻寫在得獎理由裡,參考過去197919841990年的類似用語,將來是不會有「發現一顆希格斯粒子」的諾貝爾獎頒給實驗了。

但這畢竟是高能物理界的盛事,CERN對此非常重視,其蛛絲馬跡可說就是在「發現一顆希格斯粒子」的用字裡。當201274日宣告發現「似希格斯粒子」,便是在CERN舉行。但當時應是已過了諾貝爾委員會的評選時程,所以雖有期待,卻獎落別家。今年3月在義大利阿爾卑斯山區舉行的冬季粒子物理大會中,ATLASCMS實驗分別報告了對新粒子性質的檢測結果,與標準模型希格斯粒子的預期相符,因此實驗及理論的總結報告者均認為可以將「似」希格斯粒子改稱「一顆」希格斯粒子了,CERN也趕緊同步在網頁上作此宣告。筆者當時聽說後略感詫異,戲稱一定是諾貝爾委員會的短名單日期要截止了。到了斯德哥爾摩歐洲高能物理大會,果不期然,「一顆希格斯粒子」進入ATLASCMS的得獎理由。

那麼為何這個發現與得獎這麼有張力呢?讓我們從2008年的物理獎得主南部陽一郎(Yoichiro Nambu1921~ 說起, 把時間拉回到1960年前後。

圖二:盎格列(左)與希格斯(右)於201274ATLASCMS實驗宣布發現新粒子的CERN現場。

超導理論到自發對稱性破壞
南部陽一郎因「發現次原子物理的自發對稱性破壞機制」獲得諾貝爾獎,這個貢獻正是盎格列與希格斯工作的起頭,而他的諾貝爾演講初稿提供了不少軼聞。

專攻粒子物理的南部在東京大學受教育時接觸過固態物理。1957年他已在芝加哥大學任教,聽了一個令他困惑的演講。當時還在做研究生的施瑞弗(Robert Schriefer)主講尚未發表的BCS 超導理論(1972年諾貝爾物理獎)。令南部困惑的是,BCS理論似乎不遵守電荷守恆。但南部為他們的精神所動,開始尋求瞭解問題之所在。在BCS理論裡面,電子與電子間藉交換聲子而形成所謂的「古柏對」(Cooper pair),在低溫時古柏對的玻色子性質可以形成「玻色–愛因斯坦凝結」(BoseEinstein condensation BEC)成帶電超流體,因而出現超導現象。但古柏對凝結態本身帶電荷,也就是前面所說的不遵守電荷守恆。南部花了兩年的時間才弄清楚,寫文章釐清規範不變性如何在BCS理論中維繫。物理學裡守恆律對應到特定的不變性,而規範不變性對應到電荷守恆,所以規範不變性被維繫著也就意味電荷守恆並沒有真正被破壞掉。南部指出維繫規範不變性的乃是一種無質量激發態,這個激發態與超導體中的電磁場結合成所謂的電漿子,可以解釋實驗上看到的麥斯聶效應(Meissner effect)。

圖三:麥斯聶效應示意圖。當低於臨界溫度時,磁場線將被超導體所排斥。 

南部以深度思考著稱,故假如前面偏理論性的描述使你感到迷惑,敬請不要介意。讓我們換一個角度就麥斯聶效應說明。此效應為
1933年所發現,基本上說就是磁場不能穿透超導體;當磁場進入超導體,經過些許距離後便遞減消失(該距離稱為「倫敦穿透距離」,London penetration depth)。而之所以如此,乃是前述所謂的電漿子在超導體中行進時變成有質量的,因此跟一般的庫倫力不一樣,跑一段距離就沒有作用了。所以呢,熟知多年的麥斯聶效應其實就是我們所要討論的希格斯或BEH機制。


金石定理的桎梏與安德森猜想
南部的洞察稱為自發對稱性破壞,也就是說對稱性不是給硬生生破壞掉了,乃是乍看之下好似破壞了,但其實仍微妙的維持著。這個機制本身十分吸引人。在南部的工作中,已注意到一種無質量粒子伴隨著自發對稱性破壞。高德史東(Jeffrey Goldstone)在讀了南部1960年的論文後,為文引入純量場、所謂的「墨西哥帽」位能場(希格斯喜歡稱之為「葡萄酒瓶」位能場),可以相當容易的探討類似超導體的自發對稱性破壞現象。這個位能場如圖所示,的確讓我們不用公式就可以大致體會何謂自發對稱性破壞。酒瓶位能場沿著「酒瓶」的軸具有旋轉不變性,但這個「位能」的最低點不是在凸起的φ=0中央點,乃是在一整圈φ≠0的「瓶底」。選擇落在任一φ的值(稱為「真空期望值」<φ>,因為真空對應於最低能量狀態),原來的旋轉不變性就沒有了。這個「選擇」就是自發對稱性破壞,被破壞掉的是沿軸旋轉的對稱性。然而試想在所「選擇」的φ值沿瓶底凹槽推一下,將毫無「阻力」,與沿著瓶底凹槽的垂直方向推一下有位能阻力不同。因此,沿著自發破壞掉的旋轉方向有一顆沒有阻力、即慣性或「質量」為零的激發態。這個激發態也就是一顆粒子,稱為「南部–金石粒子」。

圖四: 純量場φ的「葡萄酒瓶」或「墨西哥帽」位能場,最低能量狀態不在φ=0,而是在φ≠0時,選任一φ值便是自發對稱性破壞。試想圖中的小球,沿著「瓶底」(雙箭頭虛線)推一下無阻力,對應零質量金石粒子,但沿著黑箭頭推一下的阻力或慣性便是希格斯粒子質量。

高德史東推測這個無質量粒子的出現,應是自發對稱性破壞的普遍現象,與他所使用的特殊位能場無關。經由兩位理論高人的加持,這個猜想在1962年成為所謂的「金石定理」(Goldstone theoremGoldstone 在此譯作「金石」更顯其意涵),也就是在任何滿足羅倫茲不變性的相對論性理論裡,任何被自發破壞掉的對稱性必有伴隨的無質量粒子。這兩位高人便是後來因電弱統一理論獲1979年諾貝爾獎的薩蘭姆(Abdus Salam)與溫伯格(Steven Weinberg)。

金石(不毀!)定理的成立,為粒子物理界帶進一些肅殺之氣,因為南部的迷人想法,恐怕無法應用到相對論性的粒子物理。無質量粒子當以光速前進,實驗上很容易找到,但顯然查無實據。

在粒子物理學家摸摸鼻子,繼續與1960年代的困境奮鬥時,倒是一位凝態理論家抓到了契機。受了1962年施溫格(Julian Schwinger,與費因曼和朝永振一郎因量子電動力學可重整化的工作同獲1965年諾貝爾物理獎)一篇討論質量與規範不變性的文章啟發,安德森(Philip Anderson,因凝態理論獲1977年諾貝爾物理獎)在1963年為文剖析了在超導體中電漿子如何等價於光子獲得質量,並宣稱南部類型的理論「應當既無零質量楊– 密爾斯規範玻色子問題、也無零質量金石玻色子困難,因為兩者應可對消,只留下有質量的玻色子。」

我們一會兒再說明楊–密爾斯規範粒子,但可以預見地,安德森的猜想並沒有在粒子物理界造成甚麼漣漪,因為他用非相對論性的超導體來推想相對論性理論的性質,無法得到認同。幾乎唯一的迴響,來自韓裔美國人李輝昭(Benjamin W. Lee)與他當年指導教授克萊恩(Abraham Klein)在1964年初的文章,以及基爾伯特(Walter Gilbert)的反駁。克萊恩與李輝昭分析說,超導體存在一特殊坐標系,那麼相對性理論呢?而基爾伯特隨即反駁說,在相對性理論中當然不可能有特殊坐標系。這樣講當然過於簡化,但李輝昭與克萊恩並未答辯,而基爾伯特顯然絕頂聰明,因為該年他便從粒子物理助教授升為生物物理副教授,轉而研究生物化學,從而獲得1980年諾貝爾化學獎!


楊–密爾斯規範粒子
我們暫且岔開一下,來談談楊–密爾斯規範場論。

1932年查兌克發現中子,其質量與質子非常接近。海森堡將mnmp類比於電子(或質子)的等質量自旋二重態,提出同位旋(Isospin, I)的概念,認為質子與中子為I1/2的同位旋二重態。湯川秀樹所提出的次原子粒子「π介子」則因為有π、π0、π三顆且質量相近,因此同位旋為1。後續的實驗研究發現這個同位旋在強作用中是守恆的。楊振寧先生注意到這樣的守恆律與電荷守恆的相似性,因此思考將此相似性推進一步。前面已提到電荷守恆對應到規範不變性,這個規範不變性人們已知道是U(1)么正群。而同位旋則是一個SU(2)特殊么正群。楊振寧與密爾斯(Robert Mills)將同位旋的SU(2)群與電荷的U(1)群類比,得到同位旋的規範場論。這個理論架構非常吸引人,但有一個罩門:類比於電磁學的單顆光子,同位旋規範場論應當有3顆無質量同位旋規範粒子,但顯然在自然界中不存在。然而,若在方程式裡放進一個質量項則會破壞規範不變性,亦即同位旋守恆。據楊先生自己說,19542月他在普林斯頓高等研究院給演講,剛寫下含同位旋規範場的方程式,當時在高等研究院訪問的大師鮑立(Wolfgang Pauli)隨即問道「這個場的質量是多少?」幾番追問下,楊先生講不下去,只好坐下,靠歐本海默(Robert Oppenheimer)打圓場才得講完。在發表的論文裡,楊與密爾斯也坦承這個問題的存在。


這就是安德森所說的零質量楊–密爾
斯規範玻色子問題。就像光子,所有的規範場論粒子都是自旋為1的玻色子。同位旋SU(2)是與自旋的旋轉類比。你可以很容易檢驗,沿著兩個不同的軸的旋轉,其結果與先後次序有關,因此是所謂的「非阿式」或Non-Abelian,意為規範轉換是不可交換的。但電磁學的么正U(1)轉換只是乘上一個大小為1的複數,而乘兩個複數的結果與先後次序無關,是可交換的,稱為阿式或Abelian規範場論。


盎格列–布繞特機制
盎格列與布繞特在19648月底於《物理評論通訊》(Physical Review Letters, PRL)刊出一篇論文,奠定了歷史地位。沒有跡象顯示他們知曉安德森的猜想,但他們同樣是受了施溫格的啟發,也熟悉金石定理。

布繞特生於紐約,1953年獲哥倫比亞大學博士,1956年起在康乃爾任教,專攻統計力學與相變。盎格列於1959年從布魯塞爾自由大學獲博士學位後,到康乃爾做布繞特的博士後研究。兩人共同的猶太人背景,很快結下了有如兄弟般的終身友誼。事實上,當盎格列於1961年返回布魯塞爾時,布繞特竟辭去康乃爾的教職,舉家遷往布魯塞爾,可以說是與盎格列共同開創了布魯塞爾學派,他最終也入籍比利時。

這兩人是怎麼切入的呢?據希格斯轉述,布繞特1960年在康乃爾聽過著名理論物理學家魏斯考夫(Victor Weisskopf)的演講,聽到他說「當今的粒子物理學家真是黔驢技窮了,他們甚至要從像BCS這樣的多體理論支取新的想法。或許能有什麼結果吧。」似乎指的是南部的想法,卻也突顯了所抱持的懷疑態度。但或許受此導引,布、盎二人欣賞南部以場論角度分析超導的工作,因而將自發對稱破壞應用在布繞特熟悉的相變化問題。

後來施溫格提議在有交互作用的情形下,規範粒子或可不破壞規範不變性而獲得質量。盎格列與布繞特轉而探討規範場論的情形。他們其實在1963年就已得到了可以讓規範粒子獲得質量的結果,但因似乎違反金石定理,兩人又不是相對論性場論專家,因此以為有什麼錯誤,遲遲沒有發表。最後他們藉所謂的純量電動力學討論清楚,當規範粒子因自發對稱破壞獲得質量時,正是藉無質量的金石玻色子的傳遞來維持規範不變性。他們將這個結果從U(1)的電動力學推廣到楊–密爾斯規範場論,發現結論不變:對稱性若自發破壞則其規範粒子獲得質量、但對稱性仍被金石粒子維持著;而未被自發破壞的對稱性則仍有對應的無質量規範粒子。他們的文章在19646月下旬投出,兩個月後發表。

圖五:羅伯.布繞特。布繞特於1964年與方司瓦.盎格列共同提出盎格列–布繞特機制。

希格斯機制
希格斯於1954年獲頒倫敦國王學院物理博士,研究的是分子物理。拿到學位後,他在愛丁堡大學從事過兩年研究,回倫敦大學待了三年多後,於1960再回愛丁堡大學落腳。他是1956年在愛丁堡大學時,開始轉離分子物理研究。總體而言,他的著作不多。

希格斯到愛丁堡任教的部份職責是從學校的中央圖書館收納期刊,登錄後將其上架。19647月中,他看到了一個月前登在PRL的基爾伯特論文,否定克萊恩與李輝昭的提議,認為相對論性理論必然無法逃避金石定理。但希格斯心中隨即反駁:在規範場論中因為處理規範不變性的操作細節,是可以出現不違反規範不變性的「特殊坐標系」而能逃避金石定理的。一個禮拜後,他便投出一篇勉強超過1 頁的論文到當時位在CERN的《物理通訊》(Physics Letters, PL),於9月中刊出。這個極短篇純為反駁基爾伯特而寫,既未引述南部也未提到安德森,除了克萊恩–李輝昭與金石定理外,只引用了一篇施溫格的電動力學論文。

希格斯在PL論文投出時就明白應當怎麼做:將自發對稱性破壞用在最簡單的U(1),亦即純量電動力學。這個做法與盎格列和布繞特如出一轍。這也難怪,因為純量電動力學是最簡單的規範場論。PL論文投出後一個禮拜,他投出第二篇論文,沒想到卻被PL拒絕,或許是因為這篇文章與前文相差不到一個禮拜而仍只有1頁吧。然而希格斯卻因禍得福。他將論文略為擴充,說明這樣的理論是有和實驗相關的結果,亦即有新粒子,在8月下旬投遞到PRL,於1019日發表。這多少是希格斯粒子命名的由來。

在希格斯的PRL論文裡,他說明哪些規範粒子獲得質量,而這些粒子的縱向自由度在作用常數歸零時回歸為金石玻色子,亦即在規範作用力消失時,獲得質量的規範粒子「分解」為零質量的楊–密爾斯規範玻色子及零質量的金石玻色子。希格斯的總體討論也與目前教科書的初步討論類似,就是在對稱性自發破壞、也就是「真空期望值」<φ>出現後,將純量場的兩個分量分別作小角度震盪,則可藉規範轉換將金石玻色子吸收在新定義的一個規範場裡,而這個新的規範場是有質量的,質量是規範作用常數與<φ>的乘積。但希格斯還討論了剩餘的一顆純量粒子也是有質量的,質量是純量位能的二次微分與<φ>的乘積。希格斯還略述了如何保留光子為無質量,又申明在一般情形下,不論規範粒子或純量粒子在對稱性自發破壞的情況下都會呈現不完整的多重態。希格斯不止一次強調伴隨粒子的出現,因此稱這些為希格斯粒子實不為過。

另外,期刊的審閱者雖然接受了他的論文,也告訴他盎格列與布繞特的文章在他自己的文章寄達PRL的時後差不多已發表。因此希格斯還加了一個蠻長的註解來加以比較。文章雖只有1.5頁,言簡卻意賅。

不論盎格列和布繞特或希格斯都還有後續文章衍伸他們的結果。


BEH 機制的歷史註腳
盎格列、布繞特及希格斯在1964年時均30來歲。令人驚訝的是,在當時的蘇聯,兩位不到19歲的大學生米格道(Alexander Migdal 與包利亞可夫(Alexander Polyakov)也得到類似的想法,在1964年便寫成文章,但因為內容跨越凝態與粒子的疆界,得不到粒子領域「高層」的認同,直到1965年底才得到允許投遞論文,其後又繼續受到期刊論文審查人的糾纏,在蘇聯發表時已是1966年。這篇論文講明若規範場論遇上自發對稱性破壞,則規範粒子變成有質量,而無質量金石粒子不出現在物理過程中。

另外三位落選的諾貝爾獎貢獻者為辜柔尼克(Gerald Guralnik)、黑根(Carl Hagen)與基布爾(Thomas Kibble),前兩位都是美國人,當時都在基布爾任職的倫敦帝國學院訪問。他們的文章到達PRL時,希格斯的文章已幾乎刊出,而他們在投出前便已獲悉盎格列–布繞特及希格斯的文章,因此也忠實地在該引用的地方就引用。這篇文章也許更完整,但衡諸兩位年輕俄國人的遭遇,也就沒有甚麼好說的。2010年美國物理學會將櫻井獎(Sakurai prize)頒給了這六人,但其他國際獎項,則都只有頒給盎格列、布繞特及希格斯。到了2013年諾貝爾獎,布繞特已過世,諾貝爾委員會也沒有在三人中挑一人補上。


1960年代的困境與標準模型湧現
我們現在擁有的粒子物理標準模型,是所謂的SU(3)xSU(2)xU(1)的規範場論,在1970年代定調。但在混亂的1960年代,雖然U(1)或阿式規範場論架構的量子電動力學(QED)極為成功,然而場論的路線卻被懷疑是行不通的、標準模型在當時還子虛烏有、連夸克的存在都沒有被普遍接受……。

最近的一些文宣,常把盎格列、布繞特及希格斯三人描述成想要解釋宇宙及質量之源云云。筆者自己在唸書時標準模型已然當道,也是把這幾個人看成神之人也,及至見了面才知他們也是常人。他們當然可能有做了重要工作的興奮,但在當時他們是在布魯塞爾及愛丁堡這種偏離核心的地方從事不被認為主流的場論工作,三人甚至算不上場論專家。因此盎格列及希格斯得獎後都呼籲應該更重視像他們當年這樣不講目的、純為滿足好奇心的研究。

1960年代的混亂,一大部分原因是1950年代以來發現了太多與強作用力相關的「基本粒子」,讓人難以招架。楊–密爾斯理論雖美,但規範粒子質量問題無法解決,這卻也只是強作用種種問題的一環而已。但若撇開強作用粒子,將視野侷限在較簡單的類似電子的「輕子」,那麼輕子的弱作用仍讓人費解。其實,在1961年葛拉曉(Sheldon Glashow)便已在施溫格指引下,提出弱作用在概念上可以與電磁作用做SU(2)×U(1)的統一。但在實質面則問題仍是弱作用的規範粒子極重、光子卻無質量,兩個理論要如何調和?事實上更根本的問題是:非阿式規範場論是否可重整?可確實計算嗎?

當年盎格列、布繞特及希格斯腦中都盤桓著強作用力、楊–密爾斯理論與質量問題,而錯失了在弱作用的應用。到了1967年,前面提過的溫伯格與薩蘭姆分別將BEH機制應用到葛拉曉的SU(2)×U(1)電弱統一場論,卻也沒有立時翻轉天地。但1969 年深度非彈性碰撞透析了質子的內部結構(1990年諾貝爾獎),加上1970年拓弗特(Gerard't Hooft 與維爾特曼(Martin Veltman)證明了非阿式規範場論的可重整性(1999年諾貝爾獎),導致數年後強作用非阿式規範場論的突破(2004年諾貝爾獎)、因而建立以SU(3)為規範群的量子色動力學(QCD),以及三代夸克的提出(也是2008年諾貝爾獎),標準模型的SU(3)×SU(2)×U(1)動力學及伴隨的物質結構終於在1970年代建立。葛拉曉、溫伯格與薩蘭姆則因1978年史丹福精密實驗的驗證而獲1979年諾貝爾獎,而電弱作用藉BEH機制所預測的極重W±Z0規範粒子也於1983年在CERN發現(1984年諾貝爾獎)。


神之粒子的追尋
1970年代後期人們開始關切希格斯粒子的實驗驗證,因為它是標準模型必要又神秘的環節。但希格斯粒子的質量,是希格斯純量場的自身作用常數與<φ>的乘積,理論本身沒有預測,替實驗的搜尋增添極大的困難。有一點必須附帶一提:BEH機制原本探討的只是自發對稱性破壞所產生的金石粒子如何與楊–密爾斯規範粒子密切結合(俗稱「被吃掉」)而成為重的規範粒子,但1967年溫伯格大筆一揮,提出物質粒子(夸克與輕子)的質量也可藉希格斯純量場的真空期望值<φ>產生,因此希格斯粒子的責任可大了,是基本粒子的質量之源。

為何會稱為上帝粒子?這是出自1988年物理獎得主雷德曼(Leon Lederman)的手筆。美國在1983年通過興建周長87公里、質心能量40兆電子伏特(TeV)的超導超能對撞機SSC,希望自歐洲爭回粒子物理主導權,首要目標便是尋找希格斯粒子,而雷德曼是推手。他在1993年出了一本名為《上帝粒子》的科普書,書中詼諧的說「為何叫上帝粒子?原因有二,其一因為出版商不讓我們叫它『神譴粒子』(Goddamn particle,『該死粒子』),雖然以它的壞蛋特性及造成的花費,這樣稱呼實不為過……」。可惜出書未久,在耗費十年20億美金之後,美國把SSC計畫取消了,拱手讓出主導權。CERN1994年正式通過大強子對撞機LHC計畫。

1980~1990年代,日本KEK實驗室、德國電子加速器中心(DESY)、史丹福加速器中心、CERN、費米實驗室都直接搜尋過希格斯粒子,而精確電弱測量(包括W衰變率與頂夸克質量)的實驗結果間接指向蠻輕的希格斯粒子。CERN1990年代末把LEP正負電子對撞機能量向上調到200GeV上下,看到些許徵兆,但4個實驗之間有爭議。CERN2000年底毅然終止LEP的運轉,開始在27公里周長的LEP隧道中興建LHC

20089LHC初次運轉出了重大事故,以致延宕逾年。這使得在費米實驗室的Tevatron(對撞能量2TeV)工作的實驗家加緊尋找,因為較輕的希格斯粒子,他們不是全無希望。但LHC將能量自14TeV降到7TeV,自20103月以來運轉出奇的好,使得Tevatron20119月關機。到了12月,ATLASCMS實驗已在125GeV/c2附近看到徵兆,終於在20127月宣布發現,但當年卻未獲獎。除了前述199920042008的時間序列指標外,前面已提過20133月在義大利的粒子物理冬季會議中,參與的物理學家共同宣稱不再是「似」希格斯粒子而是「一顆」希格斯粒子(或許還有更多),明顯是為得獎鋪路。


後語
找到了神之粒子,接下來呢?這是個新的開始,還是一個結束?自南部把自發對稱性破壞引入粒子物理已超過半個世紀,BEH機制的突破也差不多有那麼久,標準模型的建立已40年,而弱作用粒子W±及Z0實驗發現也已30年。我們好像只有驗證標準模型的正確性,而沒有找到超越或解釋標準模型的「新物理」,期待了30年的超對稱(supersymmetry)也不見蹤影。

真有一個「場」自起初就充斥全宇宙,在大爆炸時是對稱的,但到了10-11秒對稱性因溫度下降自發地破壞,以致基本粒子都獲得質量?真是神奇啊!讓我們用「神譴粒子」當作一個隱喻:這個追尋了半個世紀之久的滑溜傢伙,其實帶入了無數問題。它是天字第一號的基本純量粒子;不知為何在我們更熟悉的QEDQCD裡,卻沒有帶電荷或色荷的基本純量粒子;也許以後會發現吧。基本純量粒子本身,以及這顆126GeV/c2質量的希格斯粒子,帶進「層階」、「真空穩定性」及「自然嗎」等深沉的問題。比較直觀的麻煩則是溫伯格所帶入的費米子質量問題:費米子質量藉希格斯粒子產生究竟是出自偶然還是「設計」?若是後者,那為什麼9顆帶電費米子以及伴隨的夸克混和共要13個參數?而不帶電荷的極輕的微中子質量又從何而來?暗物質是基本粒子嗎?它的質量又從何而來?

這些都是人類在繼續追尋的「本源」問題。

圖六:是否真有一個充斥全宇宙的「場」,到了1011秒對稱性破壞,以致基本粒子都獲得質量?

本文作者侯維恕教授於20137月於斯德哥爾摩與希格斯合影。

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