希格斯玻色子发现十周年｜漫谈希格斯粒子(2)

在上述的相互作用中，弱相互作用为何如此之“弱”，是粒子物理发展史上的一个重要问题。例如，作为一种不稳定粒子，缪子的寿命相对非常长，究其原因是缪子的衰变来自于弱相互作用，该作用强度低，所以衰变不易发生。最早对弱相互作用的理论诠释是费米的“四费米子”理论，这个理论可以解释低能区域中β衰变现象，但该理论在高能区域变得不自洽。而且这个理论形式上和费曼、施温格以及朝永振一郎的量子电动力学截然不同，让理论物理学家不禁质疑，是否还有一个更统一的理论来描述基本相互作用。
量子电动力学描述电磁相互作用，在这个理论中量子化的光子场传递相互作用。电磁势的规范变换，赋予了这个理论所谓的U(1)规范对称性。数学上看，U(1)对称性相当于单位圆上的复数乘法。规范对称性的深刻想法被用于研究其他基本相互作用。盖尔曼提出了新的基本粒子——夸克，它们是核子的组成部分。盖尔曼认为，如果夸克存在一个新的物理自由度，即三种“颜色”，那么夸克模型可以用来描述核子谱。夸克参与强相互作用，在盖尔曼的理论中，强相互作用是通过胶子传递的。杨—米尔斯理论，即非阿贝尔规范理论，被用来描述强相互作用，并发展为量子色动力学。三种颜色对应着数学上的SU(3)规范对称性。
“四费米子”理论与量子电动力学以及量子色动力学都不同，这个理论中没有传播相互作用的媒介粒子，也没有规范对称性。量子电动力学及色动力学的耦合常数都是无量纲的，但“四费米子”理论的耦合常数是能量的负幂次。这意味着这个理论是不可重正化的，在高能区域会不自洽，需要被某个更普适的理论代替。一种尝试是用杨—米尔斯理论描述弱相互作用，引入新的规范玻色子，来描述弱相互作用。然而，弱相互作用是一种很弱的短程力，传递弱相互作用的规范玻色子必须是有质量的，这一点和量子电动力学及色动力学都不同。量子电动力学的传播子是无质量的光子，量子色动力学的传播子是无质量的胶子。在杨—米尔斯理论中直接加入规范玻色子质量，难以得到一个自洽的规范理论。
要在杨—米尔斯理论的框架下构建弱相互作用模型，全新的物理想法是必不可少的。这里成功的想法是自发对称性破缺与希格斯机制。格拉肖、温伯格、萨拉姆分别提出了电弱统一想法，将电磁相互作用与弱相互作用统一在杨—米尔斯理论框架之中。直接打破这种统一性，引入规范玻色子质量，如前所述，在理论上是非常困难的。此处，自洽的建模方式是，引入自发对称性破缺。也就是说，在统一的杨—米尔斯理论中，相互作用并不直接打破规范对称性，但量子场的基态打破了规范对称性。