2012年,一種新的粒子在大型強子對撞機中被發現,這正是神出鬼沒物理學家們期待已久的希格斯玻色子。不過這個叫希格斯玻色子的東西有什麼大不了的?
前面我們提到,組成物質的質量並不是來自基本粒子的質量,粒子的基礎質量只佔原子的1%,大部分是來自其中的動能和結合能。今天我們就來談談這個粒子的「基礎質量」。事實上,這部分固有質量也來自於束縛能,對於原子組成的粒子,它的質量來自希格斯場。
根據量子場論的基礎解釋,粒子被視作場中的激勵,宇宙中各處都充滿著場。比如電子即是電場中的激勵。在電場中的某處施加能量,場振了起來,如果撥動吉他的琴弦,這個振動就是電子。量子場論在20世紀50年代,給出了電子一個完美又奇怪的定義,預言電子是沒有質量的。原子中所有的組成粒子的基本量子場論方程都視它們的質量為0。前面我們說過,沒有質量的粒子只能以光速運動,並且時間停滯。而事實上卻並非如此。
電子有一種固有旋向叫手性,相對於運動方向可以使順時針或逆時針,我們稱之為左旋或者右旋。並且其旋向不停地來回變換,電子在衍變,說明它確實有時間,所以必定有質量。我們也直接測量過電子的質量為9.10956×10^-31kg。光子是電磁場中的激勵,光子有自旋但不會改變,那為何電子有質量而光子沒有呢?
有一個通俗的說話就是光子能輕易地穿過整個可觀察宇宙而不碰到任何東西,而電子就從來不會不碰到什麼東西,是宇宙底層無處不在的某種物質阻礙著電子。這就是希格斯場。
左右手旋的粒子,並不是左右同性的,會受到不同的作用。比起右旋,左旋電子會多出一種叫做弱超荷的屬性。弱超荷會讓左旋電子受到弱核力。除非消除弱超荷否則電子不能自由變換自旋。但在不斷變換自旋的電子中,這種弱超荷從哪裡來又去了哪呢?
答案就是希格斯場。與多數量子場在虛無空間約為0不同,希格斯場在宇宙各處都為一個正值。這一複雜多元的場不只有著弱超荷,還試圖同時取得所有可能的電荷值(為了賦予其他粒子質量)。這也使得希格斯場成為了弱超荷的無盡源泉。憋屈的電子被各個方向進出希格斯場的粒子流轟擊著,在極小的時間裡給予並帶走弱超荷。電子本來會以光速運行,但在希格斯場的轟鳴中,電子獲得了質量。
那麼怎麼證明希格斯場的存在?這就要看希格斯玻色子了。和其他場類似,希格斯場在其基準值上下波動,也就產生了玻色子。如果能觀測到這個玻色子,就可以證明希格斯場的存在。2012年,LHC觀測到了某種未知粒子衰變產生的碎屑,這種衰變產物與極不穩定的希格斯玻色子的分解產物基本一致。也就是說,LHC有極大可能製造出了希格斯玻色子,進而證明了希格斯場。