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质子-质子碰撞事件，其中不雅察到两个高能电子和两个高能μ子。图片源流：L. Taylor / T. McCauley / CERN

导读：

2013年，在欧洲核子筹商中心晓示发现希格斯玻色子发现一年后， 英国物理学家彼得·希格斯与比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒共同获取诺贝尔物理学奖。

希格斯玻色子在粒子物理的“要领模子”中起要道性作用，它通过玄机的对称性破缺机制给基本粒子带来质地。除了广为公众所知的“天主粒子之父“希格斯，还有至少五位特出的表面物理学家，为物理学中的对称性自愿破缺机制作念出了始创性孝敬。

本文为资深科普作者邢志忠在《赛先生》的专栏的第十一篇。

邢志忠 | 撰文

2001年5月下旬，为东说念主低调且早已退出学术江湖的英国物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs），刻薄地现身于好意思国密歇根大学举办的“时空冒险之旅”（A space-time odyssey）海外研讨会，作念了一场题为“我行为玻色子的东说念主生：‘希格斯’的故事”（My life as a boson: The story of“the Higgs”）的综述回报 [1]，历数了从1960到1964年为物理学中的对称性自愿破缺机制作念出始创性孝敬的表面家，其中包括南部阳一郎（Yoichiro Nambu）、杰弗里·戈德斯通（Jeffrey Goldstone）、菲利普·安德森（Philip Anderson）、弗朗索瓦·恩格勒（François Englert）、罗伯特·布罗特（Robert Brout），以及他本东说念主。这些先驱的一系列表面探索在1964年夏天催生了“布罗特-恩格勒-希格斯机制”，频繁简称为希格斯机制。

1967年，好意思国物理学家史蒂芬·温伯格（Steven Weinberg）将该机制与杨振宁和罗伯特·米尔斯（Robert Mills）于1954年建议的定域模范不变性蚁集起来，创建了电磁力和弱核力的调理表面 [2]，后者秀丽着粒子物理学要领模子的诞生。

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1. 南部-戈德斯通玻色子‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

南部号称二十世纪后半叶以来想想最长远的表面物理学家之一。他于1921年1月18日出身在日本东京，1942和1952年分辩获取东京大学学士和博士学位，随后执政永振一郎（Sin-itiro Tomonaga）的强力推选下成为好意思国普林斯顿高档筹商院的后生看望学者。南部在普林斯顿职责了近四年，工夫莫得发表任何学术论文。他的科研效果大爆发是在1956年加盟芝加哥大学之后。尤其从1960至1979年这二十年间，南部在对称性自愿破缺、强互相作用的“色”模范以及弦论等表面物理学前沿齐作念出了前驱性孝敬。

事实上，南部是阿谁期间少有的先知先觉者，正如加州大学伯克利分校西宾、超对称表面家布鲁诺·祖米诺（Bruno Zumino）所评价的那样，“我曾以为，只须我方能搞明晰南部脚下在想什么，我的科研就会高出别东说念主十年。于是乎我与他交谈了很久。可等我弄昭着他所抒发的真谛，十年早已经往时了。”（I had the idea that if I can find out what Nambu is thinking about now， I will be 10 years ahead in the game. So I talked to him for a long time. But by the time I figured out what he said， 10 years had passed.）[3]普林斯顿大学西宾、弦论大师爱德华·威滕（Edward Witten）也对南部有过访佛的评价：“他的想想太超前了，甚而于人人齐无法表露。”（People do not understand him， because he is so farsighted.）[3]

南部阳一郎

好在，南部对于对称性自愿破缺的想想也曾问世，就赶快得到了学术界的表露和跟进。1960年2月和4月，南部先后发表了两篇具有里程碑真谛的学术论文 [4、5]。他发现，借助量子场论的谈话，从约翰·巴丁（John Bardeen）、莱昂·库珀（Leon Cooper）和约翰·施里弗所建造的BCS超导表面动身，推导出超导体的迈斯纳效应（Meissner effect）看似依赖模范的录取，但现实上扫数论断齐不错通过模范无关的神志得到。表露BCS超导表面的要道在于引入联接对称性过甚自愿破缺机制：即只需假定存在具有联接对称性的模范表面，并使之不受外界影响地“自愿”破缺到某一稀疏场地，就粗略解释迈斯纳效应等超导表象 [6]。

南部在第二篇著作中指出，“轴矢流”天然不像“矢量流”那样严格守恒，但表面上是不错在最轻的强子——赝标量型p介子质地取零的极限情况下得到轴矢流守恒的，因此超导表象中的模范不变性、能隙和集体引发对于由基本费米子场组成的质子和中子而言，就不错类比地替换成手征变换不变性、重子质地和介子。1961年，南部与意大利物理学家乔瓦尼·约纳－拉西尼奥（Giovanni Jona-Lasinio）灭亡，对上述问题作念了愈加深入系统的筹商 [7]。他们发现，当有质地为零或近似为零的赝标量粒子出当前，就意味着表面中一个精准或近似的对称性自愿地破缺了。这些具有权臣原创性的职责标明，是南部起初将对称性自愿破缺机制从凝华态物理学范畴引入基本粒子物理学范畴的。

英国粹者戈德斯通是起初良善到南部上述学术想想的表面家之一。他在1961年撰文指出 [8]：在量子场论中，当系统的拉矢量所领有的联接对称性自愿破缺时，一定会出现质地为零的玻色子，后者十分于南部在假定轴矢流守恒的前提下所得到的质地为零的p介子。与南部的职责有所不同，戈德斯通主要筹商了具有举座联接对称性的基本标量场表面过甚对称性自愿破缺，这极少与金兹伯格－朗说念（Ginzburg-Landau）超导表面有若干同样之处 [9]。戈德斯通所接洽的复标量场φ的势能函数形如墨西哥帽子，具有沿图示竖直轴的旋转对称性，因此该系统的动能和势能均不依赖φ场作自便与时空坐标无关的相位变换。当领受势能谷底的任一位置（如图中黄色小球所在的位置）行为该系统的真空时，系统的举座联接对称性就自愿地破缺了。此时围绕真空且沿着势能谷底的量子引发将产生质地和自旋均为零的玻色子，后者也叫作念南部－戈德斯通玻色子。

图源：维基百科

戈徳斯通天然在论文中仅仅例如讲明了联接对称性自愿破缺会导致无质地玻色子的出现，但觉得此论断的成立可能具有一般性。这一自后被称作“戈德斯通定理”的伏击猜想在1962年被戈德斯通、温伯格和阿普杜勒·萨拉姆（Abdus Salam）三东说念主灭亡严格地解释了 [10]。

杰弗里·戈德斯通。图源：MIT

令一众表面物理学家深感不安的是，无质地和无自旋的南部－戈德斯通玻色子在现实天下中并不存在。于是，问题变成了在杀青一个粒子物理学系统的对称性自愿破缺的经由中，怎样幸免南部－戈德斯通玻色子的出现。

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2. 希格斯的一鸣惊东说念主‍性爱真实视频

从场论的角度来看，戈德斯通定理是成立的，好意思国凝华态物理学家安德森却对此存疑。事实上，在凝华态物理学中不错找到一些实例，讲明联接对称性的自愿破缺并不老是产生南部－戈德斯通玻色子，比喻超导体里面就不存在无质地的粒子。1963年，那时正在贝尔实验室职责的安德森撰文指出，困扰粒子物理学家的无质地粒子可能会以某种神志自行灭亡 [11]：“接洽与超导访佛的情形，那么南部型的简并真空表面的前线有可能是一派坦途，不管是无质地的杨－米尔斯模范玻色子如故无质地的戈德斯通玻色子，AV解说齐不存在职何问题。这两类玻色子似乎不错‘相互相消’，只留住领有有限质地的玻色子。”安德森的一石两鸟之计，真实不错不费吹灰之力地经管困扰杨振宁、米尔斯、南部和戈德斯通等表面家的无质地玻色子费事吗？

菲利普·安德森

谜底是确定的，只须令戈德斯通率先接洽的基本标量场表面倨傲“定域”而非“举座” 联接对称性即可。这种对称性访佛于量子电能源学的定域模范不变性，因此必须同期引入十分于电磁场的无质地矢量模范场，才略保证通盘表面在复标量场φ的定域相位变换和模范场的相应变换下是步地不变的。换句话说，定域模范不变性条目基本标量场和矢量模范场之间存在互相作用。当在势能函数的谷底某处取定真空时，该系统的联接对称性就自愿破缺了，但随之产生的南部－戈德斯通玻色子十分于一个纵向极化解放度，它被无质地矢量模范场的两个横向极化解放度“吃掉”，从而酿成具有三个极化重量的矢量玻色子。在该机制中，蓝本应以光速表露的无质地矢量玻色子，在“吃掉”了南部－戈德斯通玻色子之后“体型立体化”地增大而不得不延缓，因为它获取了有限的惯性质地。

相配可惜的是，安德森本东说念主并莫得将我方的上述成见付诸践诺，而这给了那时名不见经传的后生表面家希格斯一次千载难逢的契机。

希格斯于1950和1954年在伦敦国王学院分辩获取物理学学士学位和表面量子化学博士学位，之后在爱丁堡大学、伦敦大学学院和伦敦帝国粹院从事博士后筹商职责，1960年以讲师身份崇敬加盟他的偶像——物理学大师詹姆斯·麦克斯韦（James Maxwell）也曾职责过的爱丁堡大学。此时希格斯的主要筹商趣味已经从量子化学转向量子场论和广义相对论，但他不善于与他东说念主交流与灭亡，老是独自一东说念主筹商我方感趣味的问题，差未几每年发表一篇不足为患的学术论文，因此在学术界可谓是籍籍无名。

1964年7月下旬，希格斯突发灵感，预料了与安德森访佛的一箭双雕之策来逃避“戈德斯通定理”所引发的南部－戈德斯通玻色子。他赶快写出一篇长度仅一页半、题目为“破缺的对称性、无质地的粒子与模范场”（Broken symmetries， massless particles and gauge fields）的论文，发表在欧洲物理学会主持的学术期刊《物理快报》（Physics. Letters）上 [12]。他在这篇漫笔中仅仅简要隘回报了我方的成见，也莫得援用安德森的论文。

一个月之后，希格斯完成了题为“破缺的对称性与模范玻色子的质地”（Broken symmetries and the masses of gauge bosons）的第二篇论文 [13]，具体描写了无质地的杨－米尔斯模范玻色子与无质地的南部－戈德斯通玻色子相互相消的场论细节，并首次指出非阿贝尔模范对称性的自愿破缺不仅会产生有质地的矢量玻色子，而况会产生有质地的标量玻色子。不外该论文很快就被《物理快报》的审稿东说念主拒却了，于是希格斯不得不转而将我方的大作发表在好意思国物理学会主持的《物理指摘快报》（Physical Review Letters）上，从而一鸣惊东说念主。

希格斯的一个伏击翻新点在于，在标量场的势能谷底某处取定真空后，围绕真空的量子引发不仅不错沿着谷底发生，而况不错沿着谷壁发生，后者天然则然地导致一个有质地的标量玻色子的出现。这个先前绝世超伦的新粒子，便是自后被称作“天主粒子”的希格斯玻色子——扫数与希格斯粒子背后的标量场耦合的无质地粒子，齐会因此而获取有限的质地。

由于要靠近来自好意思国粹术界的审稿，希格斯在第二篇论文中援用了安德森的论文。不外他自后得知，我方的论文的审稿东说念主其实是南部[1]。南部善意地辅导希格斯，有东说念主已经先他一步建议了用无质地的杨－米尔斯模范玻色子“吃掉”无质地的南部－戈德斯通玻色子的场论机制。

彼得·希格斯

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3. 谁是疾足先得者？‍

疾足先得者是比利时布鲁塞尔解放大学的恩格勒和布罗特。他们在1964年6月下旬完成了一篇题为“破缺的对称性与模范矢量介子的质地” （Broken symmetry and the mass of gauge vector mesons） 的论文 [14] ，愚弄量子场论的费曼图要领得到了现实上与希格斯相易的论断，但其内容更为详确，时分上也比希格斯的第一篇论文的杀青日历提前了一个月。恩格勒与布罗特的这篇具有始创性真谛的论文于1964年8月底成功发表在《物理指摘快报》上，分辩比希格斯的两篇论文的发表时分早了半个月和一个半月。

值得强调的是，在恩格勒、布罗特以及希格斯所探讨的对称性自愿破缺机制中，率先表面所领有的模范对称性不错仅仅部分地破缺。也便是说，唯有那些与标量场径直发生互相作用的模范场才会在标量场获取真空守望值后，失去其原有的模范对称性，其对应的粒子获取有限的质地，因而只可传递短程力。比拟之下，表面中与标量场莫得耦合的模范场，则保握其定域模范不变性，即其对应的粒子长期是无质地的，不错传递长程力。恰是这一奇妙的物理图像使温伯格在1967年相识到，不错借助量子场论的定域模范不变性过甚自愿破缺机制，将电磁互相作用 （长程力） 与弱互相作用 （短程力） 有机地调理起来 [2] 。

恩格勒出身于1929年。他在布鲁塞尔解放大学获取了机电工程学士学位和物理学学士学位，并于1959年获取物理学博士学位。博士毕业后，恩格勒赴好意思国康奈尔大学从事博士后筹商，第二年就被聘为助理西宾。他在康奈尔大学的灭亡者是布罗特西宾，一个出身在纽约、只比恩格勒大一岁的好意思国东说念主。

恩格勒曾这么回忆他与布罗特的第一次碰头：“咱们首次碰头就极度投缘。他到机场来接我，然后带我去喝酒，咱们险些喝了个整夜。那天仳离的时候，我俩心里齐昭着，咱们会成为好一又友。” （Our first meeting was unexpectedly warm. He picked me up at the airport and took me for a drink， which lasted nearly the whole night. When we parted we knew that we would become friends.） [15]

恩格勒（左）和布罗特（右）

1961年，恩格勒拿到了布鲁塞尔解放大学的固定职位，准备上路归国。但他与布罗特之间已经建造了深厚的友谊，灭亡也能奏效，这份心情一时难以割舍。令东说念主颇感胆寒的是，最终布罗特武断辞掉他在康奈尔大学的教职，携妻带子迁居布鲁塞尔并成为比利时公民，与恩格勒一同加盟布鲁塞尔解放大学。

时分很快就解释了布罗特的决定是何等理智！1964年，恩格勒和布罗特抢先希格斯一步，灭亡完成了那篇对于模范对称性自愿破缺的伏击学术论文，从而一举成为享誉天下的表面物理学家。但把稳的读者会发现，在这篇论文中，恩格勒是第一作者，尽管他的姓氏首字母“E”排在“B”背面。为什么会出现这一违犯粒子物理学界频繁按姓氏字头轨则排行的常规呢？

原来布罗特的专科毅力是统计物理学和相变表面，而非粒子物理学。因此不错接洽，醒目量子场论的恩格勒对上述论文作念出了主要孝敬。不外两东说念主在论文中莫得明确说起对称性自愿破缺也会产生一个领有有限质地的标量粒子，是以他们天然被公觉得“布罗特-恩格勒-希格斯机制”的最早建议者，却缺憾地失去了共享“希格斯玻色子之父”的契机。

2012年7月4日，令高能物理学界期盼已久的希格斯玻色子终于在欧洲核子筹商中心被大型强子对撞机 （LHC） 实验发现了。于是2013年的诺贝尔物理学奖授予了希格斯和恩格勒。令东说念主深感怅然的是，恩格勒的亲密灭亡者布罗特苦难于2011年病逝，莫得坚握到获奖的那一天。

时于当天，针对“布罗特-恩格勒-希格斯机制”的实验测验仍在不时，原因在于希格斯场的自互相作用属性尚未被径直测量。如图所示，在LHC实验中产生双希格斯玻色子事例的主要路子是双胶子和会经由，其中的红点即代表希格斯场的自互相作用。由于这两个费曼图的孝敬会在很猛进度上相互相消，这使得通盘反馈的事例率被严重压低，因此需要高亮度大型强子对撞机 （HL-LHC） 和环形正负电子对撞机 （CEPC） 的开动才略开展令东说念主敬佩的测量。

探伤希格斯场的自互相作用属性，会导致令东说念主出东说念主预料的新发现，从而灵通突出粒子物理学要领模子的新窗口吗？让咱们拭目以俟。

作者简介：

邢志忠，中国科学院高能物理筹商所筹商员，筹商范畴为基本粒子物理学。著有原创科普史籍《中微子飘摇之谜》，译著包括《你错了，爱因斯坦先生！》《转换天下的方程》《希格斯》等。座右铭为“一个东说念主偶尔离谱并不难，难的是一辈子齐不奈何靠谱。”

参考文件：（险峻滑动可浏览）

[1]P. Higgs， “My life as a boson: The story of the Higgs”， Int. J. Mod. Phys. 17S1 (2002) 86—88

[2]S. Weinberg， “A model of leptons”， Phys. Rev. Lett. 20 (1967) 1264—1266

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[3]M. Mukerjee， “Profile: Yoichiro Nambu in 1995”， Scientific American 272 (1995) 37—39

[4]Y. Nambu， “Quasiparticles and gauge invariance in the theory of superconductivity”， Phys. Rev. 117 (1960) 648—663

[5]Y. Nambu， “Axial vector current conservation in weak interactions”， Phys. Rev. Lett. 4 (1960) 380—382

[6]S. Weinberg， “The Quantum Theory of Fields”， Vol. II， Cambridgr University Press (2001)

[7]Y. Nambu， G. Jona-Lasinio， “Dynamical model of elementary particles based on an analogy with superconductivity”， Phys. Rev. 122 (1961) 345—358; Phys. Rev. 124 (1961) 246—254

[8]J. Goldstone， “Field theories with superconductor solutions”， Nuovo Cim. 19 (1961) 154—164

[9]V.L. Ginzburg， L.D. Landau， “On the theory of superconductivity”， Zh. Eksp. Teor. Fiz. 20 (1950) 1064—1082

[10]J. Goldstone， A. Salam， S. Weinberg， “Broken symmetry”， Phys. Rev. 127 (1962) 965—970

[11]P.W. Anderson， “Plasmons， gauge invariance， and mass”， Phys. Rev. 130 (1963) 439—442

[12]P.W. Higgs， “Broken symmetries， massless particles and gauge fields”， Phys. Lett. 12 (1964) 132—133

[13]P.W. Higgs， “Broken symmetries and the masses of gauge bosons”， Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 508—509

[14]F. Englert， R. Brout， “Broken symmetry and the mass of gauge vector mesons”， Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 321—323

[15]F. Englert， “Robert Brout”， Physics Today 64 (2011) 63—64

本文转载自《赛先生》微信公众号

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