上帝粒子的荣誉归属

摘要: 独立研究者Philip Gibbs在他著名的网站vixra上发表文章分析并预测了所有对 Higgs 理论预言和发现作出贡献的人. 本文是该文的翻译和转述.

根据LHC两个合作组ATLAS和CMS的数据, Higgs 累计事例有望在本年度秋达到给出足够的统计准确度. 随着宣布发现 Higgs 的临近, 上帝粒子荣誉归属问题摆上桌面. 说地更直白一些, 谁将拿到去斯德哥尔摩的机票.

尽管被广泛称为Higgs, 它的首创/发现者实际上并非 Peter Higgs. 至少忙于全球巡回演讲的 Peter 不能独占风头. 2010年Sakurai 奖颁发给了三个合作小组的六个人: Robert Brout and François Englert, Peter Higgs, and Gerald Guralnik, C. Richard Hagen, and Tom Kibble . 巴黎召开的搜寻Higgs 会议上, 组织者将该粒子被称为Brout-Englert-Higgs 玻色子, 以期突出首先在理论上预言了Higgs 的比利时物理学家Brout和Englert的贡献. 但会议惹恼了另外三名发现者的粉丝团. 更不用说P. W. Anderson和他凝聚态物理的粉丝团们一向视之为囊中之物. 所以目前的会议都谨慎地将 Higgs 称为标准模型标量玻色子 (SM scalar boson).

 独立研究者Philip Gibbs在他著名的网站vixra上发表文章分析并预测了所有对Higgs 理论预言和发现作出贡献的人.

 故事发韧于对称性自发破缺 (Spontaneous Symmetry Breaking) 这一概念. 人们很容易天真地认为, 如果一个物理理论 (即 Lagrangian 加边界条件, 假如存在的话) 具有某种对称性, 那么该理论的解, 也应该具有相应的对称性. 不幸的是, 这并不正确. 比如引力是球对称的力, 但行星轨道确实椭圆的, 这种古人认为"不完美"的形状. 牛顿用微分方程的方法解释了, 在经典物理中初始条件会破缺对称性. 量子物理中的相应概念萌芽于海森堡.  海森堡通过一个简单的铁磁模型 (Ising model) 指出, 基态会自发破缺理论的对称性, 因为基态可能是简并的. 尽管所有基态放在一起保持理论的对称性, 任何一个特定的基态却可能破缺它 -- 这是1928年的故事.

1950年, Landau 和 Ginzburg 将海森堡的想法量化, 并以此唯象地解释了超导现象.

1954年 J. Bardeen, L. N. Cooper 和 J. R. Schrieffer (BCS) 关于超导性的微观理论, 尤其是基态是电子配对(而非更加对称的真空态)的描述, 是对称性自发破缺进入物理学家视野的关键一步. 

南部阳一郎听了Schrieffer 的报告后立即将这一想法应用于粒子物理, 直接解释了Pion质量问题 (1960, 1961). Goldstone 将南部的想法推广为Nambu-Goldstone 定理, 并预言了零质量玻色子的存在 (1960).

对称性自发破缺的重要性在建立于Yang-Mills理论基础上的标准模型中显示出来. 电磁场具有Abelian 规范对称性. 这一对称性保证了电荷守恒. 1954年杨振宁和Robert Mills将此推广到non-Abelian的情形, 统称为规范场, 试图以此来描写更复杂的核力. 顺便, Pauli在此前也偷偷发展过这一理论, 并由于如下原因放弃了. Yang-Mills理论在很多方面都是很漂亮的, 但可惜, 这个理论中的规范场粒子不能具有质量, 规范场的质量项会破坏规范对称性.

至此, 这些理论中预言的玻色子都是无质量的.  不幸的是, 这些大量被预言的零质量规范场玻色子并没有被观测到. Yang-Mills理论的难题是, 既要保持规范对称性, 又要避免预言新的零质量的玻色子. 这是对称性自发破缺时代的故事.

第一个将玻色子质量与规范对称性放在一起的是 Stueckelberg, 早在1938年. 与他其他工作一样, Stueckelberg的理论远远超前于时代, 因此过早地被遗忘了.

1962年, 凝聚态物理学家P. W. Anderson发现通过适当的规范变换, 规范场玻色子可以获得质量. Anderson的工作就是凝聚态版本的Higgs机制, 尽管他没有指出该粒子的重要性, 也没有费神把理论推广到相对论情形, 更不用说完整地将理论整理为粒子物理学家想要的版本. 不过粒子物理版本的工作并不直截了当, 因此很多粒子物理学家则不承认Anderson发现/发明了Higgs机制. 

1964年6月26号F. Englert, R. Brout首先提出了粒子物理学家想要的版本的Higgs机制; Englert和Brout的文章指出规范场的玻色子如何通过一种额外的标量玻色场获得质量, 他们详细讨论了Abelian和Non-Abelian的情形, 甚至讨论了这种额外玻色场作为复合场的可能性. 

1964年7月24号, 8月31号, Peter Higgs也投出了他有名的Higgs文章. 他的讨论完整但相对简单, 但他指出了这种额外带质量的标量玻色场的重要性, 为此这种场被称为Higgs. Peter很显然熟悉Anderson的工作, 也认为自己是相对论性理论的推广. 有传言说南部作为Higgs文章的审稿人, 开始拒掉了Peter Higgs的文章, 并建议他在标量玻色子 (即 Higgs) 预言方面多下功夫. Peter Higgs在他的巡回演讲中提到文章被拒使得他有机会将此理论补充完整, 但说完全是他自己修改的. 南部使他注意到Englert和Brout的文章, 并添加了对他们工作的引用.

1964年10月12号, G.S. Guralnik, C.R. Hagen 和 T.W.B. Kibble 投稿了他们的工作. 他们的工作更加完整, 但在文章中, 他们指出已知Englert, Brout和Higgs的文章. 因此他们的工作不被视为原创. 据说他们也是独立做出这一成果, 但临发表时看到了前三者的文章, 便加了进去. 事后非常后悔.

Mexican hat

Mexican hat potential

到1967年, 人们已经清楚了Higgs场通过"墨西哥尖帽"势 (Mexican hat potential) 产生非零的真空期望值, 从而自发破缺电-弱相互作用的 SU(2)xU(1) 对称性, 赋予费米子(以及 Higgs 场的非Goldstone mode, 即 Higgs ) 质量. 而通过 Higgs 机制 (选取特定的规范), 规范场玻色子吞噬掉无质量的Goldstone 场获得质量. Higgs 的实验探测也被提上议程. 这些工作分别由前述作者, 以及Weinberg, Salam, 't Hooft, J. R. Ellis, M. K. Gaillard 和 D. V. Nanopoulos等完成.

 Brout去年 (2011) 去世, 因此很清楚, 炸药奖的角逐最有利的人选为Higgs, Englert. 第三个人选难以是实验学家因为ALTLAS和CMS有无数参与者和负责人. GHK小组不可能三个人都上, 最多Kibble上去, 或都不上. Gibbs还支持Goldstone, 因为在对称性自发破缺方面 Ginzburg 和南部已经获过奖. Anderson也是一个合适的人选, 不过他已经获得过一次炸药奖, 而且他老人家脾气不好, 跟粒子物理学家关系不佳. Weinberg, Salam, Glashaw, 't Hooft已经因为规范场获过炸药奖, 杨振宁和 Mills 倒值得考虑, 不过离 Higgs 太远. Ellis 在 Higgs 探测实验方面的贡献也是值得注意的.