希格斯粒子及高能物理的新時(shí)代.pdf

3 25 卷第 6 期 總 150 期 希格斯粒子及高能物理的新時(shí)代 韓 濤 王連濤 2012 年 7 月 4 日將作為一個(gè)激動(dòng)人心的日子載入 科學(xué)史冊(cè) 在這一天 座落在法國(guó)和瑞士邊境上的歐 洲核子中心 CERN 宣布在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī) LHC 上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的基本粒子 被稱為希格斯粒子 2013年10月8日 比利時(shí)物理學(xué)家恩格勒特 Francois Englert 和英國(guó)物理學(xué)家希格斯 Peter Higgs 因其 1964 年的理論工作被授予 2013 年度的諾貝爾物理學(xué) 獎(jiǎng) 這是高能物理近四十年來最重大的發(fā)現(xiàn) 它所帶 來的震動(dòng)深刻地影響了整個(gè)基礎(chǔ)理論的走向 使其進(jìn) 入了一個(gè)全新的時(shí)代 本文將簡(jiǎn)單介紹這個(gè)奇妙的希 格斯粒子以及希格斯機(jī)制 并展望和它有關(guān)的新物理 人類對(duì)于自然界最基本的粒子的探索始于遠(yuǎn)古時(shí) 代 在早期的歷史中 盡管有一些智慧的思辨 但是 由于探索手段的限制 這些始終沒有成為基于實(shí)驗(yàn)基 礎(chǔ)的科學(xué)理論 這個(gè)情況一直到 20 世紀(jì)才得到根本 性的改變 從湯姆孫的陰極射線管 到盧瑟福的 a 粒 子散射 一直到高能粒子對(duì)撞機(jī) 人們對(duì)微觀世界的 探索不斷深化 不同的基本粒子被相繼發(fā)現(xiàn) 同時(shí) 20 世紀(jì)初誕生的相對(duì)論和量子力學(xué)的結(jié)合和發(fā)展最終 帶來了量子場(chǎng)論 為認(rèn)識(shí)基本粒子現(xiàn)象提供了堅(jiān)實(shí)的 理論基礎(chǔ) 最終在 20 世紀(jì) 80 年代初期 一個(gè)可以用 來描述全部所觀測(cè)到的基本粒子的理論框架取得了足 夠多的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 并得到了廣泛的承認(rèn) 這就是基本 粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型 這個(gè)模型包括 6 種夸克和 6 種輕子 它描述了自然界的 3 種基本的相互作用 強(qiáng)相互作用 弱相互作用和電磁相互作用 這些相互 作用也是通過基本粒子傳播的 其傳播粒子分別為膠 子 強(qiáng) W 和 Z 弱 以及光子 電磁 為了 解釋基本粒子質(zhì)量的來源 標(biāo)準(zhǔn)模型借用了希格斯機(jī) 制并預(yù)言了一個(gè)新粒子的存在 希格斯粒子由此成了 基本粒子家族的新成員 需要強(qiáng)調(diào)的是 希格斯粒子的發(fā)現(xiàn) 其意義遠(yuǎn)遠(yuǎn) 超過發(fā)現(xiàn)一個(gè)新粒子 與夸克 輕子 以及傳播子不同 希格斯粒子是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的自旋角動(dòng)量為零的標(biāo)量 基本粒子 它在標(biāo)準(zhǔn)模型當(dāng)中起到極其微妙而重要的 作用 從標(biāo)準(zhǔn)模型的建立到希格斯粒子發(fā)現(xiàn)前的四十 多年中 各種夸克 輕子 以及基本相互作用的傳播 粒子全部被發(fā)現(xiàn) 它們的性質(zhì)也被大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所 驗(yàn)證 但是 僅有這些內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)模型是不完整的 希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)從某種意義上講使標(biāo)準(zhǔn)模型成為了 一個(gè)自洽的框架 但是這一發(fā)現(xiàn)并不意味著我們對(duì)基 本粒子物理有了完整的認(rèn)識(shí) 恰恰相反 希格斯粒子 存在的本身提出了一系列更令人深思的問題 對(duì)這些 問題的探索會(huì)決定今后至少幾十年高能物理發(fā)展的 方向 1 什么是希格斯機(jī)制 我們先從標(biāo)準(zhǔn)模型中一個(gè)最關(guān)鍵的問題說起 那 就是基本粒子質(zhì)量的起源 對(duì)這個(gè)問題的探索幾乎是 隨著基本粒子的發(fā)現(xiàn)同時(shí)開始的 比如 圍繞電子的 質(zhì)量就曾經(jīng)有過很多早期的嘗試 標(biāo)準(zhǔn)模型本身對(duì)這 個(gè)課題提出了新的問題 這不僅僅是因?yàn)橹T多新的不 同質(zhì)量的粒子存在 更深刻的問題起源于標(biāo)準(zhǔn)模型中 的粒子相互作用所具有的對(duì)稱性 對(duì)稱性在物理學(xué)中有著至關(guān)重要的地位 它的存 在很大程度上決定了相互作用的形式 標(biāo)準(zhǔn)模型中的 弱相互作用也不例外 夸克和輕子都是自旋為 1 2 的 費(fèi)米子 量子力學(xué)告訴我們每一個(gè)費(fèi)米子都有兩個(gè)自 旋極化自由度 1 2 我們可以取粒子的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?極化軸 極化為 1 2 和 1 2 的費(fèi)米子分別被稱為是 右手 的和 左手 的 而弱相互作用的對(duì)稱性決 定了只有左手的夸克和輕子可以有弱相互作用 如果 我們考慮將一個(gè)對(duì)象轉(zhuǎn)換為其鏡像的變換 稱為宇稱 變換 左手和右手的極化在宇稱變換下互換 這意味 宇稱在弱相互作用下是不守恒的 這正是李政道和楊 振寧提出的著名的宇稱不守恒 如果我們進(jìn)一步思考 就會(huì)發(fā)現(xiàn)這里有一個(gè)讓人 十分疑惑的地方 標(biāo)準(zhǔn)模型中所有的夸克和輕子都是 有質(zhì)量的 對(duì)于有質(zhì)量的粒子而言 自旋的極化是左 4 現(xiàn)代物理知識(shí) 手還是右手并不是一個(gè)洛倫茲不變量 這一點(diǎn)可以如 下理解 有質(zhì)量的粒子的運(yùn)動(dòng)方向在洛倫茲變換下是 可以反轉(zhuǎn)的 所以在一個(gè)參考系的存在弱相互作用的 左手粒子在另一個(gè)參考系可以是不存在弱相互作用的 右手粒子 如圖 1 所示 因此 相對(duì)論或者說洛倫茲 對(duì)稱性和弱相互作用的對(duì)稱性在有質(zhì)量的粒子身上不 可能同時(shí)適用 圖 1 洛倫茲對(duì)稱性經(jīng)受住了不計(jì)其數(shù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 它 不可能在這里出問題 然而弱相互作用的對(duì)稱也確切 地限定了理論的形式 解決這個(gè)似乎是矛盾的問題的 出路來源于物理學(xué)中另外一個(gè)重要的基本機(jī)制 自發(fā) 對(duì)稱破缺 這個(gè)機(jī)制的中心思想是物理體系的狀態(tài)不 需要具有動(dòng)力學(xué)方程相同的對(duì)稱性 或者說 量子力 學(xué)基態(tài)在對(duì)稱性變化下可以是不對(duì)稱的 對(duì)于基本粒 子物理學(xué)而言基態(tài)就是真空態(tài) 任何粒子都是基于真 空態(tài)上的激發(fā)態(tài) 把自發(fā)對(duì)稱破缺運(yùn)用到弱相互作用 完美地解決了我們面臨的問題 經(jīng)過自發(fā)對(duì)稱破缺 真空不再保持弱相互作用的對(duì)稱性 而基本粒子 諸 如夸克和輕子 作為真空上的激發(fā)態(tài) 也不必保持弱 相互作用的對(duì)稱性 因此 它們可以有質(zhì)量而且符合 洛倫茲對(duì)稱性 傳播弱相互作用的粒子 W 和 Z 也是有質(zhì)量的 基本粒子 它們的質(zhì)量的物理效應(yīng)體現(xiàn)在弱相互作是 短程力 力程是 W 或 Z 的德布羅意波長(zhǎng) 反比于它 們的質(zhì)量 和標(biāo)準(zhǔn)模型的費(fèi)米子類似 它們的質(zhì)量 也來源于如上描述的自發(fā)對(duì)稱破缺 但是 由于它們 是自旋為 1 的所謂的矢量玻色子 它們的質(zhì)量起源的 具體機(jī)制有所不同 要深入的理解這一點(diǎn) 我們必須 先進(jìn)一步討論自發(fā)對(duì)稱破缺 這個(gè)破缺機(jī)制不僅僅是 賦予真空態(tài)特殊的性質(zhì) 它還預(yù)言了一類新的粒子的 存在 對(duì)于每一種自發(fā)破缺的對(duì)稱性 更準(zhǔn)確地說是 連續(xù)對(duì)稱性 都會(huì)存在一個(gè)自旋為零的無質(zhì)量的粒 子 被稱為南部 戈德斯通 Nambu Goldstone 玻色子 自發(fā)對(duì)稱破缺和南部 戈德斯通玻色子在很多物理體 系中存在 這方面的一個(gè)著名的例子是超流現(xiàn)象 但 這似乎又為標(biāo)準(zhǔn)模型帶來了新的問題 我們并沒有在 實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到這樣的粒子 解決這個(gè)問題的關(guān)鍵在于 有質(zhì)量的和無質(zhì)量的矢量玻色子之間的區(qū)別 無質(zhì)量 的矢量玻色子有兩個(gè)極化自由度 或者說是 橫波 我們最熟悉的例子是光子 只有兩種可能的橫向偏振 但是有質(zhì)量的矢量粒子 如 W 和 Z 就不同 它們必 須同時(shí)有 3 個(gè)不同的極化自由度 既有橫波又有縱波 我們自然會(huì)問 W 和 Z 作為和光子自旋相同的矢量 玻色子 究竟是如何多 得到 一個(gè)自由度而成為有 質(zhì)量的呢 巧妙的是 這個(gè)多出來的自由度恰恰正是 對(duì)稱自發(fā)破缺后產(chǎn)生的南部 戈德斯通玻色子 在這 里 這個(gè)南部 戈德斯通玻色子并不是一個(gè)獨(dú)立的粒 子 而是成為了 W 或 Z 的一部分 第 3 個(gè)自由度 這當(dāng)然也同時(shí)解釋了為什么實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)不到單獨(dú)存在 的南部 戈德斯通玻色子 從這個(gè)角度理解 光子質(zhì) 量為零正是因?yàn)殡姶畔嗷プ饔玫膶?duì)稱性沒有被自發(fā)破 缺 因此不存在南部 戈德斯通玻色子可以為光子提 供具有質(zhì)量必需的第 3 個(gè)自由度 我們這里解釋的正 是著名的希格斯機(jī)制 希格斯機(jī)制是于 1964 年由恩 格勒特 布魯 R Brout 希格斯 以及古拉爾 尼克 G Guralnik 哈根 D Hagen 基布爾 T Kibble 分別獨(dú)立提出的 這個(gè)機(jī)制被溫伯格 S Weinberg 發(fā)展 成為標(biāo)準(zhǔn)模型的重要部分 解釋了 所有基本粒子的質(zhì)量的起源 值得指出的是 希格斯機(jī)制其實(shí)存在于很多物理 體系和過程當(dāng)中 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出基本粒子的范圍 一個(gè)最 重要的例子是 BCS 超導(dǎo)體 在處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體內(nèi) 部 庫珀對(duì)機(jī)制導(dǎo)致電磁相互作用的對(duì)稱性自發(fā)破缺 光子獲得質(zhì)量 這個(gè)現(xiàn)象體現(xiàn)在外界磁場(chǎng)不可能深入 BCS 超導(dǎo)體內(nèi)部 就像弱相互作用是短程力一樣 這 被稱為邁斯納效應(yīng) 2 希格斯粒子 到這里 希格斯機(jī)制解釋了標(biāo)準(zhǔn)模型中各個(gè)基本 5 25 卷第 6 期 總 150 期 粒子質(zhì)量的起源 但是 我們的故事不能到此結(jié)束 因?yàn)閮H有自發(fā)對(duì)稱破缺和希格斯機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)模型是不 完整的 這個(gè)問題的根源仍然在于有質(zhì)量的矢量玻色 子的特殊性 特別是兩個(gè)矢量玻色子之間的相互作用 基本粒子之間的相互作用可以通過散射實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行測(cè) 量 所以 我們可以計(jì)算兩個(gè)矢量玻色子 W 或 Z 的散射過程 例如像圖 2 中最左邊的過程 其散射振 幅可以用來測(cè)量 W 或 Z 的自相互作用的耦合強(qiáng)度 計(jì)算表明 這個(gè)散射振幅和入射粒子的質(zhì)心能量 平方成正比 這意味著 在能量很高的情況下 這個(gè) 散射振幅會(huì)發(fā)散 也就是說 在高能區(qū) W 或 Z 的相 互作用耦合會(huì)變得很強(qiáng) 從數(shù)值上看 當(dāng)質(zhì)心系能量 Ecm大于 E0 1 TeV 時(shí) 這個(gè)耦合就變的太強(qiáng)以致于 我們以上的計(jì)算不再成立 在物理學(xué)上 相互作用太 強(qiáng)導(dǎo)致計(jì)算失效并不意味著我們必須放棄整個(gè)理論框 架 這種情況的出現(xiàn)只是意味著這里必然會(huì)有新的物 理現(xiàn)象 新物理 出現(xiàn) 所以 我們的計(jì)算表明只有 W 和 Z 的標(biāo)準(zhǔn)模型是不完整的 而且 如果我們從低 能出發(fā)不斷增加質(zhì)心系能量 在到達(dá) E0之前一定會(huì)有 新物理出現(xiàn) 這樣的新物理有很多可能的形式 希格斯粒子就 是其中最簡(jiǎn)單的一種可能性 希格斯粒子是一個(gè)不帶 電荷的自旋為零的粒子 稱為標(biāo)量粒子 它和 W 以及 Z 粒子都有耦合 正如圖 2 所表示的那樣 希格 斯粒子對(duì)散射振幅貢獻(xiàn)正好可以消去正比于能量平方 的增長(zhǎng)項(xiàng) 也就是說 新物理 希格斯粒子 的 出現(xiàn)使得矢量玻色子的相互作用不會(huì)再在高能區(qū)變得 太強(qiáng) 有必要強(qiáng)調(diào)的是 希格斯粒子只是新物理最簡(jiǎn) 單的可能形式 但絕不是唯一可能的形式 希格斯粒 子的發(fā)現(xiàn)表明自然界在這里選擇了一種最簡(jiǎn)單的可能 性 這是一個(gè)有深刻意義的發(fā)現(xiàn) 描述希格斯粒子的動(dòng)力學(xué)理論很簡(jiǎn)單 希格斯粒 圖 2 子可以和我們前面介紹的南部 戈德斯通玻色子 記 為 a 一起構(gòu)成一個(gè)復(fù)標(biāo)量場(chǎng) 記為f 這個(gè)場(chǎng)的 動(dòng)力學(xué) 特別是它的基態(tài) 由如下的勢(shì)能決定 224 1 24 V l fmff 1 系統(tǒng)的基態(tài)取決于m2的符號(hào) m2 0 系統(tǒng)的基態(tài)處 于對(duì)稱態(tài) f 0 我們?cè)谶@里用 f 表示場(chǎng)量f 在基態(tài) 真空態(tài) 下的期望值 又稱為真空期望值 如果m2 0 系統(tǒng)的基態(tài) 2 0 v m f l 具有對(duì)稱性自發(fā)破缺 讀者可能會(huì)意識(shí)到這個(gè)理論 和描述相變過程臨界現(xiàn)象的朗道 金茨堡 Landau Ginzburg 理論很相似 事實(shí)上這正是完全相同的現(xiàn)象 自發(fā)對(duì)稱破缺就是一個(gè)相變的過程 相變后系統(tǒng)的基 態(tài)是一個(gè)玻色 愛因斯坦凝聚 BEC 相變的序參 量正是場(chǎng)的真空期望值 f v 考慮到對(duì)稱性自發(fā) 破缺后系統(tǒng)的激發(fā)態(tài) 粒子 我們可以將希格斯場(chǎng) 表示為 1 i 2 vhaf 其中 a 會(huì)由希格斯機(jī)制成為 W 或 Z 的第 3 個(gè)自由度 而 h 正是我們新發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子 由于這個(gè)標(biāo)量場(chǎng) 的模型十分簡(jiǎn)單 早期的希格斯機(jī)制的文獻(xiàn)多選擇這 個(gè)出發(fā)點(diǎn) 特別有影響力的是 溫伯格構(gòu)造弱相互作 用理論時(shí)也選擇這個(gè)出發(fā)點(diǎn) 這使得這個(gè)簡(jiǎn)單的模型 幾乎稱為希格斯機(jī)制的代名詞 同時(shí)希格斯粒子 h 的 存在幾乎成了一個(gè)既定的結(jié)果 在這里讓我們?cè)俅螐?qiáng) 調(diào)這只是一個(gè)簡(jiǎn)單的模型 還有很多其他的實(shí)現(xiàn)希格 斯機(jī)制的可能性 事實(shí)上在很多存在希格斯機(jī)制的物 理系統(tǒng)中并沒有希格斯粒子 非常有趣的是 希格斯 粒子的發(fā)現(xiàn)證明了在弱相互作用中 自然界選擇了一 個(gè)最簡(jiǎn)單的模型來實(shí)現(xiàn)希格斯機(jī)制 由于希格斯粒子和標(biāo)準(zhǔn)模型中其他基本粒子的質(zhì) 量起源緊密掛鉤 它不僅和所有的粒子都有相互作用 而且其相互作用的耦合強(qiáng)度也受到粒子質(zhì)量大小很強(qiáng) 的限制 所以 標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)于在對(duì)撞機(jī)上可能產(chǎn)生希 格斯粒子的過程 以及希格斯粒子的各個(gè)衰變模式的 強(qiáng)度都有明確的預(yù)言 目前 希格斯粒子的多個(gè)產(chǎn)生 6 現(xiàn)代物理知識(shí) 圖 3 和衰變的過程都已經(jīng)被觀測(cè)到 圖 3 展示了兩個(gè)在 CERN 觀測(cè)到的希格斯粒子的事例 以及兩個(gè)在希格 斯粒子發(fā)現(xiàn)中起到重要作用的過程 有意思的是 在 對(duì)希格斯粒子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的過程中 幾乎所有重要的希 格斯粒子和標(biāo)準(zhǔn)模型粒子之間的耦合都起到了重要的 作用 所以 不僅我們有了多個(gè)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的角度可以 互相印證 而且我們對(duì)希格斯粒子和各種標(biāo)準(zhǔn)模型粒 子的耦合強(qiáng)度也很快有了估計(jì) 到目前為止 所觀測(cè) 到的結(jié)果都在實(shí)驗(yàn)誤差的范圍內(nèi)和標(biāo)準(zhǔn)模型相符合 3 結(jié)束語 希格斯粒子發(fā)現(xiàn)后的粒子物理新時(shí)代 希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)從某種意義上講 完成 了標(biāo) 準(zhǔn)模型 但是 這絕不代表對(duì)基本粒子探索的終結(jié) 恰恰相反 標(biāo)準(zhǔn)模型中有很多重大的問題尚未得到解 答 而希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)正賦予了這些問題新的含義 從這個(gè)意義上講 希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了理論物理 的新時(shí)代 這里 作為這篇短文的結(jié)束語 我們簡(jiǎn)單 地介紹這方面的一些主要的問題和發(fā)展方向 對(duì) W Z 粒子和希格斯粒子的實(shí)驗(yàn)測(cè)量確定了標(biāo) 量勢(shì) 方程 1 中的所有參數(shù) m2和l 但是標(biāo) 準(zhǔn)模型本身對(duì)這些參數(shù)的大小 比如希格斯粒子的 質(zhì)量 卻沒有解釋 因此從這個(gè)基本意義上講 標(biāo)準(zhǔn) 模型只能是一個(gè)不完整的理論 必然需要一個(gè)可以對(duì) 這些參數(shù)作出解釋的更基本的理論來代替 在物理學(xué) 中 每一個(gè)現(xiàn)象和理論 都對(duì)應(yīng)于一個(gè)特定的能量標(biāo) 度 能標(biāo) 弱相互作用對(duì)應(yīng)于 Mweak 100 GeV 的 能標(biāo) 因?yàn)檫@是 W Z 以及希格斯粒子的質(zhì)量范圍 而對(duì)于那個(gè)更基本 可以用來解釋希格斯質(zhì)量 的 理論 我們所要考慮的首要問題就是它所對(duì)應(yīng)的能標(biāo) 在哪里 理論物理學(xué)中其實(shí)并不缺乏對(duì)可能的更高 能標(biāo)的思考 其中經(jīng)常被提及的是量子引力的能標(biāo) MPl 1019 GeV 以及大統(tǒng)一理論的能標(biāo) MGUT 1016 GeV 但是 即便拋開具體細(xì)節(jié) 僅從直觀上就可 以看到這里面的一個(gè)重大的問題是如何解釋 MPl 或者 MGUT和 Mweak的巨大差別 這就是所謂的質(zhì)量等級(jí)問 題 Hierarchy problem 或者叫自然性問題 Naturalness problem 反過來講 如果那個(gè)更基本的理論沒有自 然性問題 它所對(duì)應(yīng)的能標(biāo)應(yīng)該離 Mweak不遠(yuǎn) 這正 是我們?yōu)槭裁雌诖?TeV 附近的能量區(qū)有超出標(biāo)準(zhǔn)模 型的新物理的主要原因 有很多具體的新物理模型具 有這樣的性質(zhì) 比較重要的有超對(duì)稱 Supersymmetry SUSY 復(fù)合粒子模型 compositeness 以及額外 維度 extra dimensions 等等 在歐洲核子中心的 LHC 上 尋找和這些模型相關(guān)的新物理是主要的目標(biāo) 之一 受到了幾乎和尋找希格斯粒子相同的重視 在 已經(jīng)結(jié)束的第一輪運(yùn)行中 質(zhì)子 質(zhì)子的質(zhì)心系能量 為 7 TeV 和 8 TeV 這類新物理并沒有出現(xiàn) 在將 于 2015 年開始的新的一輪運(yùn)行中 LHC 將在更高的 能區(qū)繼續(xù)尋找新物理 質(zhì)心系能量 13 14 TeV 目前 高能物理學(xué)界正在緊張而激動(dòng)地等待這些新的 數(shù)據(jù) 任何新的發(fā)現(xiàn)都必然帶來高能物理新的突破 值得指出的是 即便是 LHC 的第二輪運(yùn)行也不能完 全地探索以解決自然性為目標(biāo)的新物理機(jī)制 更高能 量的對(duì)撞機(jī) 比如一個(gè) 100 TeV 質(zhì)心系能量的更大的 質(zhì)子對(duì)撞機(jī) VLHC 是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)最直接的道路 如前所述 標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)于希格斯粒子和標(biāo)準(zhǔn)模 型其他粒子的耦合有著確切的預(yù)言 同時(shí) 與自然性 問題相關(guān)的新物理都會(huì)對(duì)這些耦合參數(shù)帶來細(xì)微的變 動(dòng) 探測(cè)到這樣的變化也就是看到了新物理的跡象 探測(cè)這樣微小的效應(yīng)需要很精確的測(cè)量 和追求更高 的能量以尋找更重的新粒子不同 這種測(cè)量需要大量 極其精密的數(shù)據(jù) 這正是所謂的希格斯工廠所要實(shí)現(xiàn) 的目標(biāo) 希格斯工廠往往基于正負(fù)電子對(duì)撞機(jī) 正在 討論中的國(guó)際直線對(duì)撞機(jī) ILC 和大型環(huán)形正負(fù)電 子對(duì)撞機(jī) 比如 TLEP 都屬于這個(gè)類型 除了自身的自然性 希格斯粒子還有可能和其他 一系列的新物理相關(guān) 其中一個(gè)重要的例子是暗物質(zhì) 暗物質(zhì)是我們迄今為止確知存在的唯一的不被包括在 7 25 卷第 6 期 總 150 期 標(biāo)準(zhǔn)模型之內(nèi)的粒子 探索暗物質(zhì)的性質(zhì)是當(dāng)今基本 粒子物理的最重要的課題之一 在眾多的暗物質(zhì)模型 中 最具吸引力的是所謂的弱作用重粒子 WIMP 模型 在這個(gè)模型中 暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量在 100 GeV 到 TeV 附近 由于標(biāo)準(zhǔn)模型中的 W Z 粒子以及頂夸 克都通過希格斯機(jī)制獲得了 100 GeV 左右的質(zhì)量 我 們很自然地想到暗物質(zhì)粒子也可以通過相同的機(jī)制 獲得所需要的質(zhì)量 至少同希格斯粒子有所關(guān)聯(lián) 這 是一個(gè)很有趣的想法 目前吸引了很多的理論和實(shí)驗(yàn) 工作 我們生活的宇宙中物質(zhì)要遠(yuǎn)多于反物質(zhì) 早在 50 年前 解釋這一非對(duì)稱性 Baryogenesis 是基 本粒子物理和宇宙學(xué)的一個(gè)重要方向 幾乎所有的 Baryogenesis 的模型都依賴于宇宙早期的相變過程 而弱相互作用的自發(fā)對(duì)稱破缺的相變是我們可以確信 必然在早期宇宙發(fā)生過的物理過程 所以很早就有人 將這個(gè)相變和 Baryogenesis 聯(lián)系起來 具有挑戰(zhàn)性的 是 要成功地實(shí)現(xiàn) Baryogenesis 只有標(biāo)準(zhǔn)模型的希 格斯粒子是不夠的 我們必須引進(jìn)新的和希格斯粒子 相關(guān)的粒子 總而言之 希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)是高能物理學(xué)的一 個(gè)里程碑 它表明了我們對(duì) 10 16 cm 的尺度物理有了 深刻的理解 同時(shí) 它也對(duì)高能物理學(xué)的下一步發(fā)展 和探索指出了極其有意義的方向 我們期待著高能物 理的下一個(gè)重大發(fā)現(xiàn) 韓濤 美國(guó)匹茲堡大學(xué) 15260 清華大學(xué) 100084 王連濤 美國(guó)芝加哥大學(xué) 60637 S L Glashow 1961 Partial symmetries of weak interactions Nuclear Physics 22 4 579 588 S Weinberg 1967 A Model of Leptons Physical Review Letters 19 21 1264 1266 A Salam 1968 N Svartholm ed Elementary Particle Physics Relativistic Groups and Analyticity Eighth