希格斯玻色子发现简史

以下文章来源于中国物理学会期刊网 ，作者杨洪洮 赵政国
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|作者：杨洪洮1,2 赵政国1,2,†
(1 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室)
(2 中国科学技术大学近代物理系)
本文选自《物理》2022年第11期
摘要 希格斯玻色子于2012年的发现是粒子物理发展史上的一座里程碑。它为标准模型补上了最后一块拼图，希格斯机制的提出者们也因此获得了2013年的诺贝尔物理学奖。在希格斯玻色子发现十周年之际，文章将带领读者简短回顾希格斯玻色子从提出到发现的近半个世纪的历史。
关键词 希格斯玻色子，标准模型，粒子物理实验，科学史
01
引言
粒子物理的标准模型是迄今为止最为成功的物理理论之一，代表着目前人类对于世界物质基本组成及其相互作用最为先进的认识，它能够精确描述从微观到宏观除引力外的一系列物理现象。标准模型的理论框架中包含两类基本粒子(图1)，一类是作为物质基本组成的费米子，另一类是传递相互作用的玻色子。这些基本粒子都在实验上被相继发现，很多重要贡献者也因此获得了诺贝尔物理学奖。然而，标准模型理论在建立之初有一个“缺陷”，那就是它描述的所有基本粒子都是无质量的。这显然与现实不符：如果所有基本粒子都没有质量，那它们都将以光速运动，我们所熟悉的宇宙也将不复存在。

图1 标准模型中的基本粒子。其中夸克与轻子属于费米子，相互作用力则由玻色子传播。希格斯玻色子作为基本粒子的质量起源，在标准模型中有着非常特殊的地位
为了解释基本粒子的质量起源，包括弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)与彼得·希格斯(Peter Higgs)在内的几位科学家在20世纪60年代初提出了“希格斯机制”[1—6]。根据这一理论，宇宙中充满着希格斯场，基本粒子通过与希格斯场相互作用来获得质量。为了证实希格斯场的存在，我们需要在实验中寻找与它对应的基本粒子：希格斯玻色子。希格斯玻色子是目前已知的唯一自旋为零的基本粒子，宇称为正。它最独特之处在于它能“分辨”出其他粒子的质量大小。一个基本粒子的质量越大，希格斯玻色子与它的相互作用就越强。