【2013诺贝尔奖特别报导】物理奖:终于,来到了!

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【2013諾貝爾獎特別報導】物理獎:終於,來到了!


2013年的诺贝尔物理奖于10月8日宣布颁给比利时布鲁塞尔自由大学的方司瓦•盎格列 (François Englert) 与英国爱丁堡大学的彼得•希格斯(Peter Higgs),理由是「理论上发现一种有助我们了解次原子粒子质量起源的机制,所预测的基本粒子最近被欧洲核子研究中心大强子对撞机的ATLAS和CMS实验找到,因而获得证实」。

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2013/

盎格列与已过世的同事罗伯•布绕特 (Robert Brout,1928–2011),以及希格斯,在1964年分别提出理论机制,可以让传递作用力的粒子变得有质量。如此一来,便容许弱作用力能与电磁作用力融合为「电弱作用」(1979年诺贝尔物理奖)。这个通称希格斯机制的理论发现,从此势必以BEH机制为正式名称;可惜布绕特已于两年前仙逝,无缘获奖。在诺贝尔委员会所引用的得奖理由里,清楚写出盎格列与希格斯获奖是因为所预测的基本粒子最近、也就是在2012年7月4日,被CERN的ATLAS与CMS实验找到。这颗粒子便是大家近来耳熟能详的希格斯粒子、俗称「神之粒子」。ATLAS与CMS实验,台湾都有参加,而台大团队参加的是CMS实验。这颗上帝粒子,物理学家可说找了近50年,去年终于在约126 GeV/c2、或铯与钡原子质量之间「找到了!」,完成了粒子物理标準模型的最后一块拼图。而盎格列与希格斯也在发现一年后,分别以80及84高龄终于等到了期待已久的荣誉。

【2013诺贝尔奖特别报导】物理奖:终于,来到了!

罗伯•布绕特 (Robert Brout,1928–2011)

1960年代的困境

我们现在的粒子物理标準模型,是所谓的SU(3) x SU(2) x U(1) 的「规範场论」,其中的SU(3)与SU(2),和U(1)不同,是所谓的「非阿式」(Non-Abelian) 规範群。但在混乱的1960年代,虽然U(1)或「阿式」规範场论架构的量子电动力学QED极为成功,然而场论的路线却被怀疑是行不通的、标準模型在当时还子虚乌有、连夸克的存在都没有被普遍接受 …。

当时的混乱,一大部分原因是1950年代以来发现了太多与强作用力相关的「基本粒子」,让人难以招架。但若撇开强作用粒子,将视野侷限在较简单的类似电子的「轻子」,那幺轻子的弱作用仍让人费解。其实,在1961年葛拉晓 (Sheldon Glashow,1979年诺贝尔奖) 便已提出弱作用在概念上可以与电磁作用做SU(2) x U(1)的统一,但在实质面则问题十分严重。电磁的作用粒子、也就是光子,是不带质量的,但弱作用的作用粒子则重到差不多有溴原子那幺重,两个理论要如何调和?事实上问题更根本得多:不管是阿式或非阿式规範场论,背后的规範不变性都要求规範粒子,也就是作用粒子,必须是无质量的。所以QED没有问题,但非阿式规範场论的问题就大了,因为对应的弱作用,需要很重的作用粒子。非阿式规範场论就是1954年杨振宁先生与密尔斯所提出的Yang–Mills理论,而规範粒子质量问题,连杨先生也不知道如何解决。

自发对称性破坏与BEH机制

受到超导理论的启发,南部 (Yoichiro Nambu,2008年诺贝尔奖) 在1960年提供了解决粒子质量问题的契机,建议类比超导的自发对称性破坏机制可提供作用粒子以质量。但勾德石东 (Jeffrey Goldstone) 旋即证明这样的自发对称性破坏一定有伴随的无质量、无自旋的粒子,我们却没看到。1962年,安德森 (Philip Anderson,1977年诺贝尔奖) 指出勾德石东定理的破解之道,宣称「勾德石东的零质量困难并不严重,因为我们或可用杨–密尔斯的零质量问题与之对消。」他之所以用「或可」,因为他专攻的是凝态物理,所以仅做了非相对论性的讨论。然而后续的发展,一直让他耿耿于怀,直到他获得诺贝尔奖。其实南部何尝不是如此呢?在他2008年得奖的演讲中,关于希格斯机制问题他还说「我以为电浆与麦斯聂 (Meissner) 效应已经将之确立了。」

1964年时,比南部和安德森年轻的布绕特、盎格列与希格斯都只有30来岁。布绕特出生在纽约,专攻是统计物理。盎格列于1959年到康乃尔大学成为布绕特的博士后研究学者。有趣的是,1961年盎格列返回布鲁塞尔,布绕特竟从康乃尔辞职,举家迁到布鲁塞尔、并入籍比利时。他们两人十分欣赏南部1960年的论文,将自发对称性破坏应用到杨–密尔斯规範场,发现未被破坏的对称子群其规範粒子维持零质量,但被自发破坏的规範对称性,其规範粒子则获得质量。这篇论文于1964年6月26日投递到物理回顾通讯 (Physical Review Letters,PRL),发表于1964年8月31日。

着作不多的希格斯于1954年获国王学院博士学位之后,曾在爱丁堡待过两年,于1960年回到爱丁堡任教。他当时的部份职责是从学校的中央图书馆收纳期刊,登录后将其上架。1964年7月中,他看到了一篇6月中的PRL论文,宣称相对论性理论无法逃避勾德石东定理。但希格斯心中反驳说,在规範场论中因为处理规範不变性的操作细节,是可以逃避勾德石东定理的。一个礼拜后,他便投出一篇两页的论文到当时以CERN为基地的物理通讯 (Physics Letters),于9月中刊出。但论文投出后,他就明白应当怎幺做:将自发对称性破坏用在最简单的U(1),亦即量子电动力学。一个礼拜后,他投出第二篇论文,没想到却被拒绝,然而他却因祸得福。他将论文扩充,主要是强调这样的理论是有和实验相关的结果,亦即有新粒子,在8月31日投递到PRL,于10月19日发表。这多少是希格斯粒子命名的由来。

还有另外两组人做了类似工作,一组是当时在英国国王学院的三位美、英学者,10月19日投稿、11月16日发表在PRL。在苏联也有两位资优大学生得到类似想法,但因师长不信,一直到1965年11月才获准投递期刊。想必是因为短时间内的后继者众,虽然布绕特已逝,诺贝尔委员会并没有补上第三人。

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发现神之粒子

1967年,温伯格 (Steven Weinberg) 与萨兰姆 (Abdus Salam) 分别将 BEH机制应用到葛拉晓的SU(2) x U(1) 统一场论,一时却也没有翻转天地。但到了1970年拓弗特 (Gerard ’t Hooft) 与维尔特曼 (Martin Veltman) 证明了非阿式规範场论的可重整性 (1999年诺贝尔奖)、数年后强作用非阿式规範场论的突破 (2004年诺贝尔奖),以及三代夸克的提出与验证 (2008年诺贝尔奖),标準模型终于建立,人们也在1970年代后期开始关切希格斯粒子的实验验证。葛拉晓、温伯格与萨兰姆则因1978年史丹福精密实验的验证而获1979年诺贝尔奖。

【2013诺贝尔奖特别报导】物理奖:终于,来到了!

Photo: Maximilien Brice, Copyright © CERN 2008

为何会被称为上帝粒子?这可是出自1988年物理奖得主雷德曼 (Leon Lederman) 的手笔。美国在1983年通过兴建周长84公里、质心能量40 TeV的超导超能对撞机SSC,第一目的便是寻找希格斯粒子,而雷德曼是推手。他在1993年出了一本名为「上帝粒子」的科普书,诙谐的他在书中说「为何叫上帝粒子?原因有二,其一因为出版商不让我们叫它『神谴粒子』(Goddam particle),虽然以它的坏蛋特性及所造成的花费,这样称呼实不为过 …」。可惜出书未久,在耗费十年20亿美金之后,美国把SSC计画取消了,拱手将主导权让给欧洲。

欧洲核子研究中心CERN在1994年正式通过大强子对撞机LHC计画,在2000年正式开始在27公里周长的隧道中兴建。虽于2008年初次运转失利,但2010年以来运转出奇的好,2011年12月已现徵兆,于2012年7月4日ATLAS与CMS实验共同宣布发现希格斯粒子。但当年的诺贝尔奖提名期限大概已过,因此才等到今年。而除了前述1999–2004–2008的时间序列外,今年有两个蛛丝马迹,显示得奖之高度可能。先是在3月份义大利山里的粒子物理冬季Moriond会议,参与的物理学家共同宣称不再是「似希格斯粒子」而是「一个」希格斯粒子 (亦即还不确定是否有更多)。我推想这是为了确定将希格斯粒子推入年度短名单。而两年一度的欧洲高能物理大会,今年7月恰好在斯德哥尔摩举行,会中有一场希格斯的特别回顾演讲,讲完后有一位女士自听众席特别发言讚赏。我坐得太远,不知是否就是10月8日给报告的那一位。

诺贝尔委员会特地在得奖理由中,一方面强调理论机制的提出,另一方面指名所预测的粒子被ATLAS与CMS实验发现而进一步验证。在此特以小小的希格斯站在大大的CMS实验 (台大所参与) 中间作为结束。

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我们在2012年12月曾邀请CMS前发言人托内利 (Guido Tonelli) 作「发现希格斯粒子」的科普演讲,今年9月又刚邀请美国文理学院院士村山齐作「神之粒子,然后呢?」的科普演讲,两者皆作中文口译。

要进一步了解希格斯粒子发现的意义,可观赏下列影音:

[影音] 科普讲座─《发现希格斯粒子: 在大强子对撞机回溯宇宙的起源》

[影音] 与大师有约科普讲座─神之粒子, 然后呢?

特别感谢侯维恕教授提供此文稿。