粒子物理标准模型和Higgs波色子

物理农民 发布于： 2009-12-20 19:38

 物质是由自旋为1/2的费米子组成的，包括轻子（比较轻）和夸克。轻子分为三类，每一类包括两种粒子，分别是电子和电子中微子、muon子和muon子中微子、tau子和tau子中微子。对于电子，我们是熟悉的，比如说，电子是原子的组成部分；电子的运动形成电流；电子带有最小电荷。Muon子和tau子也是带电的，你可以认为他们是重的电子。轻子中微子是电中性的，并且几乎没有质量（译者注：实验给出中微子的质量上限很小，几乎为零）。所有轻子都可以直接被观测到，虽然有的不是那么容易被找到。

夸克也分为三类，也是带电的，但是他们的电量是电子电量的分数倍（+2/3和-1/3）。夸克不能被直接观测到，我们所能观测到的，如质子、介子，是由三个夸克或者一个夸克和一个它的反粒子（反夸克）组成。每个粒子都有其对应的反粒子。反粒子具有和想对应的粒子相同的质量，但带电量相反，如电子的反粒子是正电子。Quarks that are produced in particle interactions or decays materialize as “jets” of ordinary particles collimated close to the original quark direction [2].

作用在这些基本费米子上的四种相互作用分别是：引力、弱力（beta衰变）、电磁相互作用力和强力。四种相互作用力是通过物质间交换基本波色子实现的。这些基本波色子包括：引力子、带电的和中型的3个W波色子和3个Z波色子、光子和8个胶子。引力不在标准模型中深入讨论。所有基本费米子之间都有弱相互作用；所有带电的基本粒子之间都有电磁相互作用。强相互作用只在夸克之间和由夸克组成的粒子（如质子）发生作用。这些由夸克组成的粒子称为强子。总结基本粒子和力之间的关系，如图。

电磁相互作用通过交换无质量的光子实现；而弱相互作用交换有质量的带电W粒子和中性Z粒子；所有这些粒子都是自旋为1的波色子。根据Higgs机制，最简单的标准模型为了使W粒子和Z粒子具有质量，要求存在有质量的标量波色子，即Higgs粒子。Higgs场的基态能量不为0，具有质量的量纲（译者注：在高能物理中，我们采用一种单位制，在这种单位制下，能量的量纲和质量的量纲是一样的）。粒子通过与Higgs场相互作用获得质量，这也是Higgs粒子在物理学中扮演如此重要角色的原因。光子不与Higgs场发生相互作用，所以没有质量；而W粒子和Z粒子的质量大约是质子质量的100倍。光子质量和W粒子及Z粒子的质量的这种不对称性称为“弱电对称破缺”。

根据标准模型，Higgs粒子表述为一对复标量场，有四个自由度。其中，三个自由度是非物理的，但作为中间态是必需的；而第四个自由度对应于物理的Higgs波色子。一旦引入Higgs机制，电磁相互作用和弱相互作用就统一为弱点相互作用。

扮演如此重要角色的Higgs波色子在标准模型中是必需的，但至今没有被试验观测到。因此，发现Higgs粒子变得极其重要。为此，科学家近年来启动了欧洲核子中心（CERN）的大型正负电子对撞机（LEP）和费米实验室的一万亿电子伏质子反质子对撞机。然而，欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）最有可能发现Higgs波色子。

在那个能标上应该发现Higgs粒子呢？标准模型中对Higgs粒子的质量没有明确的界定，但是理论物理学家认为应该小于1000Gev（大约相当于1000倍的质子质量）。在标准模型上的一定的扩充的理论，如超对称，可能给出Higgs粒子质量的其他限制。Higgs粒子与其他粒子的耦合决定了Higgs粒子的产生速率和衰变为其他粒子，并且通过这些耦合的强度可以预言Higgs粒子的衰变，而Higgs粒子的衰变唯一决定于Higgs粒子的质量。

Higgs粒子与其他基本粒子的直接关系到他的质量。Higgs波色子是有重的粒子之间的相互作用产生的，一般衰变为运动学上所允许的最重的粒子。如果Higgs波色子的质量大于2倍的W粒子的质量，他将主要衰变为W+W-和ZZ；如果轻一点，衰变为重的费米子将占主导地位。

此译稿也，望不吝赐教！原文见日志http://www.mtime.com/my/2422741/blog/2990230/