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叩响天堂之门：宇宙探索的历程 [:1700950072]
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程
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2010年3月30日，我在雪花般的电子邮件中醒来。邮件都是有关前一天晚上欧洲核子研究中心的7TeV对撞实验。它的成功，标志着大型强子对撞机实实在在的物理项目的开始。而2009年接近年底时的加速与对撞实验已经成为关键的技术里程碑。这些事件对大型强子对撞机的实验物理学家来说非常重要，因为他们终于可以通过来自大型强子对撞机真实对撞实验的数据，来校准并更好地理解探测器，而不是仅仅采用偶然穿过仪器的宇宙射线数据。在接下来的一年半时间里，欧洲核子研究中心的探测器会记录真实数据，使得物理学家可以证实或证伪他们的模型。最终，经过了起起伏伏的实验，大型强子对撞机的物理项目终于在排除万难后开始了征程。
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7TeV的对撞能量只是大型强子对撞机设定能标的一半。真实的目标能标——14TeV在几年之内还无法达到。同时，在7TeV的一轮运行上目标锁定的光度（每秒相互碰撞的质子的数目），远低于实验设计者最初计划的数目。但是无论如何，有了这些对撞结果，大型强子对撞机的实验终于在经历重重困难之后步入了轨道。我们终于可以相信我们对物质内部本质的理解将很快得到提高。如果一切顺利的话，那么两年后仪器将经历完全关闭、整装待发、再重新以满负荷运转的阶段，来为我们提供我们所期盼的真实结果。
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其中一个最重要的目标是，研究基本粒子如何获得质量的问题 。为什么所有粒子不都像那些零质量粒子一样，以光速穿过？回答这个问题的关键是一系列被统称为希格斯区的粒子，包括希格斯玻色子。本章将介绍为什么成功的粒子搜寻过程可以告诉我们关于基本粒子质量的想法是否正确，以及一旦大型强子对撞机以更高强度和更高能量华丽地回归，重新启动搜寻工作，那么它终将告诉我们隐藏在这重要而又引人注目的现象之下的粒子和相互作用的本质。
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希格斯机制，给出基本粒子质量的唯一方法
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没有物理学家质疑在现今我们所能研究的能量上的标准模型。实验物理学家已经测试了很多它的预测，在1%的精度上，实验结果都与预测符合得很好。
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然而标准模型建立在一个还没有观测到的因素上面。以英国物理学家彼得·希格斯命名的希格斯机制是我们所知的给出基本粒子质量的唯一方法。根据最初版本标准模型的基本前提，传递相互作用的规范玻色子没有质量，对标准模型来说非常重要的基本粒子，诸如夸克和轻子，也都没有质量。然而对物理现象的测量明显证明它们具有质量 。基本粒子的质量对于理解原子与粒子的物理现象——例如原子中电子轨道半径或者弱相互作用的极微小范围，至关重要，更不用说它对宇宙结构的影响了。根据质能方程E=mc2 ，质量也决定了有多少能量是需要用来产生基本粒子的。然而对于一个没有希格斯机制的标准模型来说，基本粒子的质量将是一个谜题。这样的理论是不被允许的。
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粒子对其质量丧失了不可剥夺的权利，这听起来似乎有点专制。你可能还期望粒子有权选择获得非零质量。然而标准模型与所有相互作用理论的精妙结构，恰恰表明它是非常独断专行的。该结构限制了允许的质量类型。规范玻色子的质量解释与费米子的有些不同，但是两者的基本逻辑都与处于所有相互作用理论核心的对称性相关。
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粒子物理学的标准模型涵盖了电磁、弱相互作用力以及强相互作用力，并且每一种相互作用都伴随着一种对称性。如果没有这些对称性，那么由量子力学与狭义相对论所预言的传递相互作用的规范玻色子其振动模式就会出现很多冗余。没有对称性的理论，其计算结果将产生荒谬的预测，例如赝振动（spurious oscillation）模式的高能相互作用的概率大于1。在任何对自然的准确描述中，这种非真实的物理粒子，也即在错误方向振动的非真实存在的粒子，显然需要被剪除。
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从这个意义上说，对称性就像垃圾邮件过滤器或者质量监控管理局。例如，质量规定只有平衡性能[63] 良好的汽车才能被留下来，这使得所有从工厂出产的汽车能像预期的一样，良好地行车。对称性在任何相互作用的理论中都会排除不良因素。这是因为发生在不想保留的非物理粒子上的相互作用不遵从对称性，反之，那些遵守对称性的粒子则以它们被允许的方式振动。因此对称性确保了理论预测中只涉及物理粒子，这样理论才能合理并与实验相符。
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对称性使得相互作用理论拥有了一种优美构想。与其通过计算将非物理模型逐一排除，不如利用对称性一举将所有非物理理论全部消灭 。总之，任何具有对称性的相互作用理论只涉及物理振动模式，它们的行为是我们想描述的。
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对任何理论来说，只要传递相互作用的粒子的质量为零（比如电磁或者强相互作用力），这种方法就很奏效。也就是说，对称理论对于它们的高能相互作用的预测都合情合理，而且的确只有自然中存在的物理模式才被涵盖。对于零质量的规范玻色子，高能相互作用问题的解决相对来说很直接，这是因为相应的对称性限制和排除了理论中的非物理、表现不良的模式。
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对称性解决了两类问题：第一，排除了非物理模式；第二，解决了伴随非物理模式而来的错误的高能预测 。然而，非零质量的规范玻色子有一个额外的、物理的（即存在于自然中的）振动模式。参与弱相互作用力的规范玻色子就属于这一类别，对称性会过多地剪除它们的振动模式。因此，如果没有新要素被添加进来，那么弱规范玻色子的质量就将使它不能遵从标准模型的对称性。更进一步，对于非零质量的规范玻色子，我们别无选择，只能保留它们的一种不良模式，这也意味着解决高能的不良结果的问题将变得困难起来。无论如何，理论需要一些新要素来产生合理的高能相互作用。
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此外，在没有希格斯粒子的情况下，没有一种标准模型的基本粒子可以既获得非零质量，又同时遵从最原始相互作用理论的对称性。由于相互作用的对称性，在没有希格斯粒子的标准模型中，夸克与轻子也不会具有非零质量。其原因看似与规范玻色子的逻辑无关，但是也可以追根溯源到对称性上面。
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在第14章，我们展示了一张包括左手与右手费米子的图（即图14-1），图中非零质量的粒子成对出现。当夸克与轻子质量非零时，它们引入了将左手与右手费米子相交换的相互作用。但是为了左手与右手费米子可以互换，它们必须参与相同的相互作用。然而实验表明，弱相互作用力在左手夸克和轻子与右手夸克和轻子上的作用并不相同，但是后者可以由前者转换而来。这种对宇称守恒的破坏（宇称守恒的意思是左手与右手遵从相同的物理定律）令每个第一次听闻它的人瞠目结舌。毕竟其他已知的自然定律都不区分左与右。但是这个显著的特性，也即弱相互作用力区别对待左与右，已经被实验证明并且是标准模型的重要特征。
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左手与右手的夸克和轻子有着不同相互作用告诉我们，如果没有一些新要素，非零质量的夸克和轻子将与已知的物理定律不相容。并且非零质量将把带弱荷的粒子与不带弱荷的联系起来。
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换言之，因为只有左手粒子带弱荷，那么这种荷也可以失去。也即荷可以明显地消失于真空——宇宙中不含任何粒子的状态。通常这是绝不可能发生的，因为荷必须守恒。如果荷可以无中生有，又可以凭空消失，那么与之相伴的相互作用的对称性一定会破缺，并且那个荒谬的高能规范玻色子相互作用的概率超过1的预测又会重新出现。因此，假如真空确实空无一物（没有粒子和场），那么荷永远不会神奇地消失。
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假如“真空不空”，而是包含了可以向真空提供弱荷的希格斯场，那么荷就可以产生或者消失了。一个希格斯场，尽管可以向真空提供荷，却不是由真实粒子组成的。它本质上是一个分布——只有当场自身取得非零值时，宇宙中弱荷才出现的一个分布。当希格斯场非零时，就好像宇宙有一个无穷供给的弱荷源。想象一下你有数不尽的金山银山，你可以任意借出和收回金钱，并且你将一直拥有无穷的钱财供你使用。与这个比喻类似，希格斯场将无穷的弱荷投放到真空中。这样，它就破坏了相互作用中的对称性，并且让荷流进与流出真空而使粒子出现了非零质量，却没有产生任何问题。
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一种考虑希格斯机制以及质量产生的方法是，让真空表现得像带有弱荷的黏滞流体（希格斯场渗透布满真空）。带有这种荷的粒子，例如弱规范玻色子与标准模型中的夸克和轻子，可以与这种流体相互作用，从而使其运动速度减慢。这种减慢效应对应于粒子获得了质量，因为零质量的粒子将以光速在真空中运动。
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这个巧妙的基本粒子获得质量的过程就是希格斯机制。它不仅告诉了我们基本粒子如何获得质量，还告诉了我们很多这些质量的性质。例如，这个机制解释了为什么一些粒子重而另一些轻。简单地说，粒子与希格斯场的相互作用越多、质量越大，反之则质量越小 。顶夸克是最重的夸克，因此它的相互作用最强。电子或者上夸克的质量相对较小，相互作用就比较弱。
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希格斯机制也提供了一个关于电磁以及传递该种相互作用的光子的深刻洞见。它告诉我们：只有这些相互作用的媒介粒子与分布于真空中的弱荷相互耦合，这些粒子才获得质量。W规范玻色子与Z玻色子都与这些弱荷耦合，所以它们具有非零质量。然而布满了真空的希格斯场虽然携带弱荷，却是电中性的。光子与弱荷没有相互作用，所以它的质量保持为零。于是，光子被单独地拣选出来。如果没有希格斯机制，那么将有三种零质量的弱规范玻色子以及另一种零质量的相互作用媒介粒子——即被称作超荷（hypercharge）的规范玻色子。那样，根本没有人会提出光子的概念了。但是希格斯场的出现，使得只有这种超荷规范玻色子与三种弱规范玻色子之一的唯一组合方式，可以给出作为传递电磁相互作用的媒介光子。光子具有零质量，对电磁理论的现象来说至关重要。它解释了为什么电磁波可以远程传播，而相反，弱相互作用力只能在一个极小范围内传播。正是因为希格斯场带有弱荷而没有电荷，所以光子可以以光速传播（它因此得名），而弱相互作用力的媒介则是重的粒子，所以不能以光速传播。
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不要混淆[64] ，光子才是基本粒子。但从某种意义上说，最初理论中的规范玻色子被错认了，因为它们并不对应于具有正确质量（可能是零质量）的物理粒子，而且它们在真空中的传播毫不受阻。在从希格斯机制得知遍布真空的弱荷之前，我们并没有办法从中确定哪些粒子有非零质量、哪些有零质量。由于希格斯机制，真空被带上弱荷，因为超荷规范玻色子与弱规范玻色子可以于真空中传播时相互转换，所以我们不能赋予它们确定的质量。在真空具有弱荷的前提下，只有光子和Z玻色子于真空传播时保持不变，其中Z玻色子有非零质量，而光子没有。于是希格斯机制可以将特殊的光子挑选出来，而与它相应的荷是它所传递的电磁作用的电荷。
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希格斯机制解释了为什么光子而非其他相互作用媒介粒子具有零质量。它也解释了质量的另一个性质。这个问题更巧妙一些，却给了我们为什么希格斯机制中质量与合理的高能预测相容的洞见。如果将希格斯场考虑成一种流体，那么我们可以想象它的密度将对粒子的质量产生不同的影响。进一步说，假如我们认为它的密度来源于相隔一定距离的弱荷，那么有的粒子在很小距离上的传播使得它们不会与任何一个弱荷相撞，它们的运动方式就好像其质量为零；然而有的粒子在长距离上传播，它们不可避免地会撞到弱荷上而反弹回来，速度就会降低[65] 。
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