希格斯机制

1. 背景问题：粒子物理学的质量起源之谜

   • 20世纪中期建立的粒子物理标准模型成功描述了电磁力、弱力和强力的相互作用，其中电磁力和弱力统一为电弱相互作用。
   • 但理论计算要求传递弱力的W±、Z玻色子必须具有质量（约80-90 GeV/c²），而直接赋予质量会破坏电弱对称性，导致理论失效（出现不可重整化的无穷大）。
   • 光子等其他规范玻色子质量为零的理论要求与实验观测到的有质量W/Z玻色子之间存在矛盾。

2. 核心思想：对称性自发破缺

   • 1964年，希格斯等人提出：物理规律本身具有对称性，但基态（真空）不具对称性。
   • 类比：放在铅笔尖的铅笔完全对称，但倒下后指向特定方向，对称性“自发破缺”。
   • 引入一个复标量场（后称希格斯场）遍布全空间，其势能函数形如墨西哥帽状：高点对称，但最低点（真空）是无穷多个简并态中的一个特定选择。

3. 希格斯场与粒子耦合产生质量

   • 希格斯场在真空具有非零期望值（v≈246 GeV）。
   • W±、Z玻色子通过与希格斯场耦合“获得”质量，耦合强度决定质量大小（类似在粘稠介质中运动显得有惯性）。
   • 光子不与希格斯场耦合，保持质量为零。
   • 费米子（夸克、轻子）通过汤川耦合与希格斯场作用获得质量，耦合常数直接决定粒子质量。

4. 希格斯玻色子的预言

   • 希格斯场量子化后，其激发态对应一个新粒子——希格斯玻色子。
   • 它是自旋为0的标量玻色子，不带电荷，是标准模型中唯一基本标量粒子。
   • 其质量不由理论预言，但耦合强度与粒子质量成正比。

5. 实验验证

   • 2012年7月，LHC的ATLAS和CMS实验宣布发现质量约125 GeV/c²的新玻色子。
   • 后续测量其自旋、宇称、耦合性质与希格斯玻色子预言一致。
   • 2022年确认衰变到底夸克、缪子等通道，耦合与质量大致成正比，完成标准模型最后拼图。

6. 未解问题与超越标准模型

   • 等级问题：希格斯质量为何远小于普朗克质量？是否存在超对称或额外维度保护？
   • 真空稳定性问题：当前希格斯质量下，宇宙真空可能亚稳态。
   • 电弱相变与宇宙物质-反物质不对称的可能关联。
   • 希格斯场是否与暗能量有关仍是开放问题。