黑格斯机制

黑格斯机制（Higgs mechanism）是用标量粒子场来实现规范对称性 自发破缺的一种机制。相应的标量粒子（即自旋为 0的粒子）通常被称为 黑格斯粒子或黑格斯－基布尔 (Higgs－Kibble)粒子（见规范场）。1

简介黑格斯机制实现对称性自发破缺的性质与假想的无限大的铁磁体破坏空间的各向同性很相似。无限大铁磁体的稳定状态是，其中所有磁畴的磁矩平行排列，形成均匀磁场。本来不论是无限大铁磁体还是它所占据的空间，对空间方向都没有任何偏好，即都是各向同性的。但均匀磁场总会取某一个方向，使这个方向变得特殊起来，即破坏了空间的各向同性。这个例子中均匀磁场的偶然取向，使空间原有的三维转动对称性自发破缺，降低到二维转动对称性，即以磁场方向为轴转动的对称性，垂直于磁场的所有方向仍然是平权的。黑格斯机制的情形，铁磁体由标量粒子场来代替，原有的三维转动对称性，由假设的统一规范对称性来代替；而保留的二维转动对称性，则由剩余的规范对称性来代替。规范对称性的特点是，对应于每一个规范对称性，有一个零质量的自旋为1的粒子，叫作规范粒子。当黑格斯机制使规范对称性破缺时，就使黑格斯粒子的种类减少一个。与此同时，相应于被破缺的规范对称性的自旋为1的粒子，从无质量的变为有质量的，而其独立分量的数目由2增加到3，增加的一个分量来自减少的黑格斯粒子分量。重的规范粒子传递的作用力程短，轻的规范粒子传递的作用力程长，对称性自发破缺前性质相似的规范粒子，在对称性自发破缺以后，有的保持零质量，有的获得质量；它们传递的相互作用，就带上了极不相同的性质。这样黑格斯机制就为在一个简单的规范理论的基础上，统一诸多性质各异的相互作用提供了可能。1

应用S.格拉肖、S.温伯格、萨拉姆的电弱统一理论是应用黑格斯机制的一个成功的例子。黑格斯机制是一切统一弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用的大统一理论中必不可少的部分。
在规范理论中引入黑格斯机制时，会随之出现一些不能用规范理论原则来规定其大小的耦合常数。这些同黑格斯粒子有关的耦合常数是理论中无法确定的。为了避免这种不确定性，一部分物理学家受到超导中库珀对（见超导微观理论）的启发，认为对称性自发破缺（见真空）是费米子凝聚的结果。这种不要黑格斯粒子的机制称为动力学自发破缺。由于这个理论的非线性和不可重正化性，它还没有取得重要的具体进展。另一部分物理学家则认为黑格斯粒子是与规范粒子、费米子一样基本的粒子。2 迄今还没有在实验上肯定黑格斯粒子的存在。不过这并不表明实验已排除黑格斯粒子存在的可能性。1

黑格斯场黑格斯场，规范场理论术语，指构成黑格斯机制的物质场，其拉格朗日密度是它的内部空间可能有多个分量，但是，它在时空空间却只有一个分量，因而也称之为标量场，与之相应的粒子的自旋为0，它与通常的标量场不同，且有自相互作用，黑格斯场具有两面性的破缺对称性的特点一方面，对应于虚质量(粒子的质量是虚的)，在内部空间反射变换下，拉格朗日密度是对称的，而真空是破缺的；另一方面，对应于实质量，其真空是对称的，而拉格朗日密度是破缺的，黑格斯场与规范场结合构成黑格斯机制。3

黑格斯粒子黑格斯粒子（Higgs particle）是指理论上预言的一种有质量的中性标量粒子。黑格斯粒子又称黑格斯－基布尔（Higgs－Kibble）粒子。

理论诠释弱相互作用是一种短程力，如果用定域规范场理论来描写弱相互作用，就要求传递弱相互作用的规范场粒子质量很大。但如果要求弱相互作用严格遵守定域规范对称性，它的规范场粒子的质量就应当严格为零，这就产生了矛盾。这就是真空对称性自发破缺问题。弱相互作用理论的作用量具有严格的规范不变性，但我们所处的世界（这是由这种作用量导出的一个解）不具有这种对称性。如若实现这个自发破缺机制，有人提出应当存在一种标量场即黑格斯场，它与夸克、反夸克、弱规范场粒子（即Z0和W±粒子）存在相互作用。而且，这种标量粒子还提供势能相互作用，现实世界处在这种势能的最低点，这样规范对称性仍然存在，规范场粒子可获得非零质量。同时预言存在一种中性黑格斯粒子。这就是所谓的黑格斯机制，一种可能的真空对称性自发破缺机制。4

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石季英 - 副教授 - 天津大学