希格斯玻色子发现十周年｜漫谈希格斯粒子(3)

在我们的宏观世界中，自发对称性破缺其实并不罕见。室温下磁铁的基态有自发磁化，一根条形磁铁一端N极，一端S极，两端的极性破坏了条形磁铁的对称性。注意电磁相互作用本身不破坏对称性，但条形磁铁的基态有两个，体系选择其中一个基态，自发地破坏了对称性。在量子场论中，类似于磁铁的模型，一个所谓的标量场可能也有多个基态，那么物理体系的基态选择自发地破坏了对称性。这里将要引入的标量场，就是大名鼎鼎的希格斯场(图1)[6]。

图1 希格斯复标量场的势能形式[6]
一般而言，场论中自发对称性破缺，由于所谓的戈德斯通机制，会产生无质量的标量粒子。如此构造粒子物理模型，虽然把电磁相互作用、弱相互作用都引入到了杨—米尔斯理论的框架，但无质量的标量粒子从来没有在实验上发现过，这依然是理论上的疑难。希格斯机制最终解决了这个疑难：本来无质量的规范玻色子吸收“吃掉”了自发对称性破缺产生的无质量的标量粒子。这样消除了无质量标量粒子，同时又赋予了弱相互作用规范玻色子质量，说明了弱相互作用是一种弱的短程力。从理论基础上看，希格斯机制是电弱相互作用统一的关键一步。
在具体的模型构建中，如何选择正确的对称性和破缺方式，对于预测新粒子的种类与相互作用是非常重要的。温伯格和萨拉姆选择了SU(2)×U(1)对称群以及一对复希格斯场。这对复希格斯粒子场的基态，会破坏SU(2)×U(1)对称性，残存的U(1)对称性对应着电磁相互作用。被破缺的3个对称性，由于希格斯机制，导致产生了三个有质量的规范玻色子，分别是W 、W-和Z玻色子。这三个粒子传递短程的弱相互作用。一对复希格斯场中的三个物理自由度被W和Z吃掉，剩下的唯一 一个物理自由度对应的量子场论激发态，也就是所谓的“上帝粒子”——希格斯粒子。
希格斯场还和物质费米子场(如电子、缪子、陶轻子和夸克等)通过汤川机制耦合。在希格斯机制中，希格斯场的基态等效地变为了这些物质粒子的质量参数。通俗地说，希格斯场给予了基本粒子质量。温伯格与萨拉姆的电弱统一与自发对称性破缺模型，加上描述强相互作用的量子色动力学，构成了粒子物理的标准模型。