探寻和发现——见证希格斯粒子或极类似物

进一步的工作将证明它到底是标准模型的最后一个粒子还是新物理的踪迹．大约50年前,三篇几乎同时独立发表的文章奠定了以后将被称为希格斯机制的理论基础．在粒子物理的标准模型中,要求存在一个标量场,它激发出一个自旋为零的粒子,此标量场与其他基本粒子相互作用而赋予它们以质量．希格斯玻色子是标准模型所预言然而最后尚未被发现的粒子．     

希格斯与他的“上帝粒子”

  因提出“希格斯机制”和预言“希格斯玻色子”而闻名于世的彼得•希格斯（Peter Higgs）2009年获得瑞典皇家科学院诺贝尔物理学奖评委会和斯德哥尔摩大学联合颁发的奥斯卡•克莱因（Oskar Klein）奖。10月1日,希格斯在Alba Nova大学中心做了题为“我作为玻色子的一生”（My Life as a Boson）的获奖演讲。随着坐落在西欧核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）即将开始运行取数并寻找那个给予基本粒子以质量的“上帝粒子”——希格斯玻色子,越来越多的人开始关注希格斯机制和它背后的物理,甚至为LHC能否找到希格斯粒子而打赌。为了以简单通俗的语言还原四十多年前发现希格斯机制的真实过程,我们在此翻译了《Physics World》由编辑彼得•罗杰斯（Peter Rodges）于2004年7月采访希格斯本人后所撰写的文章《Peter Higgs: the Man behind the Boson》,以飨读者。     

在T2HDM模型中中性希格斯粒子对B→X_s1 1-衰变过程的影响(英文)

在T2HDM模型中计算了中性希格斯粒子圈图对稀有衰变过程B→X_s1 1-的贡献.通过计算发现:(a)中性希格斯粒子对衰变过程B→X_s1 1-的修正能够增强其标准模型的预言,但增幅很小;(b)在中性希格斯玻色子的质量大于100GeV和tanβ<40的情况下,中性希格斯粒子对稀有衰变过程B→X_s1 1-的分支比的贡献可忽略.     

CMS实验中希格斯粒子的寻找

2012年7月4日,欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)上进行的两个实验—ATLAS实验和CMS实验,发现了一个质量大约为125 GeV的新粒子。这个粒子后来进一步被证实,其与粒子物理标准模型预言的希格斯粒子的属性相吻合。文章首先简单介绍了希格斯粒子及其发现历程,以及LHC上进行的CMS实验,然后主要介绍了CMS上希格斯粒子的发现和它的性质的测量结果,以及中国科学家们在其中做出的重要贡献。     

摆动的真空是质量的来源吗？

物质的质量从何而来是自然界最深层次的秘密之一.40多年前,物理学家希格斯(P.W.Higgs)提出是一种玻色子引发的场给予物质以质量,此后,学界便称这种粒子为希格斯玻色子(Higgs boson).十多年来,花费了相当多的时间和金钱在用粒子加速器寻找此种粒子,但迄无所获.2008年9月10日启动的目前世界上能量最大的强子对撞机(LHC)的任务之一就是企图发现这一假想存在的粒子①.     

在T2HDM模型中中性希格斯粒子对B→Xsl+l－衰变过程的影响

在T2HDM模型中计算了中性希格斯粒子圈图对稀有衰变过程B→X_sl⁺l^－的贡献. 通过计算发现: (a)中性希格斯粒子对衰变过程B→X_sl⁺l^－的修正能够增强其标准模型的预言, 但增幅很小; (b)在中性希格斯玻色子的质量大于100GeV和tanβ<40的情况下, 中性希格斯粒子对稀有衰变过程B→X_sl⁺l^－的分支比的贡献可忽略.     

希格斯粒子及其实验寻找和发现

希格斯机制引入基本粒子物理的标准模型,解决了规范对称性自发破缺和粒子质量起源的问题,希格斯粒子成为粒子物理实验的最重要寻找目标。2012年大型强子对撞机(LHC)上的环状螺线管(ATLAS)和紧凑缪子螺线管(CMS)两个实验,分别以超过5倍标准偏差的统计显著性发现了与希格斯粒子性质一致的新粒子。     

SU(2)Higgs场的玻色凝结和Weinberg-Salam模型中的电子质量

本文推广Higgs场的玻色凝结概念到SU（2）Higgs φ⁴模型。证明在Higgs场的自作用下,当荷电复场和中性复场的凝聚密度之和不变时,对称凝聚和不对称凝聚的真空能量相同,元激发谐也都包含三个Goldstone粒子和一个质量为2^1/2 m的粒子,并由此出发,通过引入无质量涡电子和中性Higgs场的耦合,给出了和Weinberg-Salam模型相符的电子质量。     

解释微调的第三种方法

希格斯粒子的质量与地球轨道的椭圆度都比它们的理论估计值小几个数量级.这似乎是两个更大的量经过微调而抵消所造成的.粒子物理有两个最有趣的微调难题:希格斯玻色子的质量和宇宙常数.长期以来,人们一直认为粒子物理的微调可能与新的对称性有关,如难以解释的超对称性,或者与统计参数有关——我们微调的宇宙只是许多可能的多重宇宙之一.     

零质量玻色场,自发破缺与Goldstone定理

本文讨论零质量玻色场φ(x)在动量空间的零频部分,它不是动量趋于零时的极限,所以并不代表粒子的产生和湮灭算符。由于正则量子化得到一连续量子数,因此所有物理态都不能归一。真空变成一个无穷宽能带中的任意一个态。当φ(x)是厄米场时,真空并不存在简并,因此没有真空自发破缺;当φ(x)是复数场时,每一真空都是无穷地分立简并,因此也没有连续对称的自发破缺。利用这些态容易验证 Goldstone 定理证明中所插入的零动量零能量中间态并非代表不同数目的 Goldstone 粒子的相干迭加,也不一定与原来的真空态正交。文章亦讨论了φ(x)→φ(x)+η的生成元,它作用在φ(x)上的真空平均值及作用在真空态上的结果。     

用克莱因-戈登方程推导两质子之间的库仑势

量子电动力学认为库仑力是电荷之间交换虚光子的结果,最有力的证据是从虚光子假说直接推出库仑势能.克莱因-戈登方程(□2-m2)Φ(x,t)=0是一个用来描述质量为m,自旋为0,电荷为0的标量场的场方程,虚光子可以用粒子静止质量为0的标量场描述,因此满足克莱因-戈登方程□2Φ(x,t)=0.本文利用克莱因-戈登方程推导两质子之间的库仑势.     

复合核非弹性道中的辐射俘获过程

本文在文献[1]提出的核反应机制—复合核首先衰变到复弹性道, 复弹性波在核外区通过长程电磁相互作用而被俘获到低激发的单粒子束缚态并放出光子—的物理概念基础上, 考虑非弹性波的辐射俘获过程.     

探索上帝粒子与质量起源

欧洲大型强子对撞机(LHC)上发现的125 GeV新希格斯粒子可能成为标准模型预期的"上帝粒子"。这一革命性发现开启了探索宇宙中一切基本粒子质量起源的新时代,成为21世纪粒子物理学的转折点。文章着重介绍:(1)探寻上帝粒子的重大科学意义;(2)探索质量起源的历史,以及为什么牛顿力学和爱因斯坦相对论均未解决质量起源问题;(3)神秘的真空与希格斯机制;(4)上帝粒子是如何提出的和怎样在LHC上发现的;(5)展望21世纪质量起源的探索与新物理定律的革命。     

含磁单极电动力学的电磁对偶对称性自发破缺问题

首先提出了一种认为磁单极的存在将导致电动力学电磁对偶对称性自发破缺的新观点,指出了和这种对称性自发破缺相关联的零质量标量粒子即Goldstone玻子存在的可能性.然后通过对含磁单极电动力学作用量描述困难的分析,提醒读者磁单极的存在给电动力学带来的复杂性和不对称.最后为非高能物理背景的读者提供了两类磁单极即经典场扩展位形类磁单极和点粒子磁单极的概念.     

用量子蒙特卡罗方法研究二维超流-莫特绝缘体相变点附近的希格斯粒子

与伽利略不变性的超流体不同, 具有洛伦兹不变性的超流体中除了声子模之外, 还存在希格斯振幅模(Higgs amplitude mode). 在二维情况下, 由于存在十分剧烈的衰变成声子模的过程, 希格斯模是否仍然是一个能产生尖锐线性响应的激发子成为了一个问题. 近年来的进展最终对这一持续数十年的争论做出了肯定的回答, 证实了希格斯的可观测性. 在这里, 我们回顾一系列的数值方面的工作; 它们以二维超流体(superfluid)到莫特绝缘体(Mott insulator) 量子相变点(SF-MI QCP) 附近的具有洛伦兹不变性的超流体为对象, 成功探测到了希格斯模的线性响应信号. 特别是, 我们介绍了一种如何使用平衡态系统的蒙特卡罗算法计算强关联系统的延迟响应函数(retarded response function)的方法. 该方法主要包含两个核心步骤: 即通过路径积分表示下的蠕虫算法这一高效的蒙特卡罗算法计算平衡态系统的虚时间关联函数, 然后利用数值解析延拓方法从虚时间关联函数中获得实时间(实频率)的响应函数. 将该数值方法应用于二维SF-MI QCP附近的玻色-哈伯德模型(Bose-Hubbard Model), 结果表明尽管在超流相中, 希格斯模衰变过程非常剧烈, 但是在动能算符相对应的延迟响应函数的虚部中, 仍然可以观测到希格斯模所对应的尖锐的共振峰. 进一步的研究表明, 在莫特绝缘相, 甚至常流体相中, 也可能存在类似的共振峰信号. 由于可以在光晶格中超冷原子系统等凝聚态中观测到SF-MI QCP, 因此希格斯共振峰有望通过实验进行直接探测. 此外我们指出, 同样的希格斯共振峰还存在于所有和SF-MI QCP具有相同普适类((2+1)维相对论性U(1)临界性)的量子临界系统中.     

只带一种基本标量粒子的轻子-夸克复合模型

我们提出一个包括两种基本费米子和一种基本标量粒子的轻子-夸克复合模型. 其中, 基本费米子无质量并且不带色, 基本标量粒子是色的三重态. SU(3)_H定域规范作用将基本粒子束缚成轻子、夸克和弱玻色子等复合粒子. 轻子是由三个基本费米子组成的三体复合粒子, 夸克由一个基本费米子和一个基本标量粒子组成. 本模型基本粒子的数目较少, 存在为数不多的exotic粒子. 解释了轻子-夸克的对称性. 弱作用是超色单态之间的一种短距剩余作用, 它只在复合层次出现. 通过动力学对称破缺破坏了宇称守恒.     

实验检验光子静止质量的研究进展

爱因斯坦狭义相对论的基本假设之一是光速不变性,其直接推论就是光子的静止质量必须为零,因此实验检验光子是否具有非零的静止质量一直备受关注.非零光子静止质量以Proca方程组为基础,其实验检验主要针对真空光速(频率)色散效应、库仑反平方定律和安培环路定律的偏离、寻找纵向电磁波以及磁偶极场的Yukawa势等几个方面.文章作者所在的实验小组采用精密扭秤调制方法将国际上同类实验结果提高了2个数量级,给出光子静止质量上限为mγ≤1.5×10-52g.对光子静止质量的实验检验,也是对光速不变原理的一种检验,即使光子仅有非常微小的静质量,如一旦得到实验的检验,将会对整个物理学的发展产生巨大而深刻的影响.     

非阿贝耳规范场的类粒子解

1.我们在文献[1—3]中,指出了一种求非阿贝耳规范场某些特定类型解的方法。在本文中我们指出此方法可以得到非阿贝耳规范场的类粒子解。我们的讨论是把此方法推广到N维空间具有O_N对称的非阿贝耳规范场,然后讨论O_N对称的非阿贝耳规范场的类粒子解。     

用纠缠态表象讨论对双模压缩真空态作正交振幅分量的测量

对文献[4]的结果作了进一步推导,用纠缠态表象方法计算了对双模压缩真空态第一个模场作正交振幅分量测量的结果,发现第二个模塌缩到一个压缩态,其显式被导出。     

光脉冲在铷原子蒸汽中的减慢与存储的理论与实验研究

光速是描述光子的诸多特性中的一个重要参量,由于真空中光速不变及粒子的速度上限是光速这二个重要的特性,光速一直是人们关注的问题,也是激励一代又一代科学家不断研究的长期课题.