质量起源——从对称性破缺到希格斯机制

 物理学再次回到质量起源问题是在20世纪60年代。 20世纪60年代初， 物理学家在对基本粒子的研究中已经发现了许多对称性。 对称性在物理学中一直有着重要的地位， 不仅由于其优美的形式与物理学家们对自然规律的美学追求十分吻合， 更重要的是因为它不仅中看， 而且中用， 有一种穿透复杂性的力量。 即使在对体系动力学行为还没有透彻理解的情况下， 对称性也往往具有令人瞩目的预言能力。 这最后一点在20世纪五六十年代的粒子物理研究中具有极大的吸引力， 因为当时人们对基本粒子相互作用的动力学机制知之甚少， 而且对在很大程度上为研究基本粒子相互作用而发展起来的量子场论产生了很深的怀疑。 在这种情况下， 许多物理学家对对称性寄予了厚望， 希望通过它们来窥视大自然在这一层次上的奥秘。     

对称性,对称性破缺和相变

本文将扼要介绍物理学中对称性的分类及其特征，说明对称性破缺与一物理系统从无序到有序的相变过程间的关系，并讨论了对称性破缺出现的前提。     

夸克与对称性自发破缺

用普通物理和原子物理的语言论述了对称性破缺机制和理论模型,介绍了2008年度诺贝尔物理学获奖者小林诚(Makoto Kobayashi)、益川敏英(Toshihide Maskawa)关于弱相互作用的理论模型(KM模型)和对称性破缺的起源,它是对电弱统一理论的完美补充;详细分析了在微观粒子世界系列实验中对称性自发破缺和夸克的发现.     

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.     

对称性、对称性破缺和相变

本文将扼要介绍物理学中对称性的分类及其特征,说明对称性破缺与一物理系统从无序到有序的相变过程间的关系,并讨论了对称性破缺出现的前提     

对称性和对称性破缺

对称性存在于自然界许多客观物体的几何形状之中，例如物体和镜中的像物体有镜像对称性，一个球形物体对它的轴有转动对称性，对称性也存在于周围物体和各种建筑图案等等。对称性在物理上决定了微观世界中基本粒子特性和它们之间的相互作用规律存在各种对称性质。例如在不同时间不同地点做同样一个物理实验其结果是相同的，不会因为在中国和美国做出不同物理规律的结果。这意味着对一个物理系统，时空坐标原点的选取和坐标轴方向的选取都不影响客观的物理规律，     

破缺的对称性——简评2008年诺贝尔物理学奖

2008年10月7日北京时间下午5点45分,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,将本年度的诺贝尔物理学奖的一半授予美国芝加哥大学的南部阳一郎（Yoichiro Nambu）,以表彰他发现了亚原子物理中对称性自发破缺的机制,奖项的另一半由日本高能加速器研究机构（KEK）的小林诚（Makoto Kobayashi）和京都大学的益川敏英（Toshihide Maskawa）分享,以表彰他们发现了对称性破缺的起源,并由此预言了自然界中至少有3个夸克家族存在．     

对称性自发破缺和希格斯机制

众所周知,本世纪最辉煌的科学成就之一是弱电统一理论,然而历史上这一理论的重大突破有赖于对对称性自发破缺的研究,特别是希格斯机制的建立。     

对称性与对称的破缺性

对称与对称破缺是自然界中普遍存在着的一种矛盾关系。对称是变化中的同一 ,反映不同物质形态在运动中的共性 ,破缺是变化中的差异 ,反映不同物质形态在运动中各自的特性。自然界的物质 (包括整个自然界在内 )处于对称→对称破缺→深一级对称→对称性又破缺……这样不断深化之中     

对称性自发破缺所诱发的种子平行雷诺胁强

根据第二类气球模理论,在托卡马克中诸如不稳定漂移波类的环形局部模将在径向呈现源于环形性的对称性自发破缺。以流体离子温度梯度模模型方程为例,解出在准环坐标系中由对称性自发破缺产生的二维局部模本征模式。在略去边带效应后,它成为具有径向位移修正的平板模式。由位移修正离子温度梯度模式导出了种子平行雷诺胁强,而它在传统的(无位移修正的)平板模式下被证明为零。     

超导与规范对称性,希格斯机制与希格斯粒子——电磁学与电动力学中的超导Ⅱ

本文是文献[1]和[2]联合的后继文章,在文中我们依据电磁学和电动力学中的麦克斯韦方程组建立了有质量光子导致导体中的超导现象这一事实的规范不变描写,文献[1]的结果是目前理论选取洛伦兹规范的特殊情形.我们发现在这种规范不变的理论中存在一个零质量的标量场,它可以和规范势的纵向分量相互转化.这正是文献[2]所介绍的2013年诺贝尔物理学奖中著名的希格斯机制,即规范粒子吃掉Goldstone玻色子而产生纵向分量,因而获得质量.这个新引进的零质量标量场对应量子场论中激发Goldstone玻色子的标量场,它可以被看成是一个更一般的两分量复标量场的相角分量.而此推广的复标量场的常数模分量可以被看成是另一个动力学场——希格斯场的真空期望值.希格斯场的激发是希格斯粒子,即所谓上帝的粒子;而光子的质量则起源于希格斯场的真空期望值.     

电荷对称破缺

1930年 ,物理学家海森伯曾认为 ,中子与质子实质上是在质量上具有微小差别的同一种粒子 ,他将两者统称为“核子” .近代的核物理学家赞同这样的观点 ,即在大量的核反应中 ,如果用中子来代替质子时 ,核反应过程将以相同方式继续进行下去 ,反之亦然 .但这种相似性在某些情况下会发生破坏 ,因为它将导致电荷对称破缺 ,简称为CSB .2 0 0 3年 4月 ,在美国费城召开的美国物理学会的会议上 ,有两个实验室分别独立地宣布 ,他们完成了对电荷对称破缺的实验观测 .一个是美国印第安那大学回旋加速器实验室 (IUCF) .IUCF的E .Stephenson教授宣…     

动力学破缺和真空自发破缺的手征SU(2)L×SU(2)R×U(1)σ模型

将SU(2)_L×SU(2)_R手征对称的σ模型推广到带电磁场情况下的手征σ模型,采用研究自恰性方程的方法研究了同时具有动力学破缺和真空自发破缺的手征SU(2)_L×SU(2)_R×U(1)σ模型,得到了考虑动力学自发破缺、真空自发破缺和电磁相互作用后,σ、π介子和核子都出现了不同的质量修正,并得到此模型中σ,π和核子以不同方式依赖于动力学破缺的具体表示.     

希格斯玻色子——物质质量起源的探索

2012年7月4日,欧洲核子中心大型强子对撞机上的ATLAS和CMS实验组联合宣布发现了一个标量粒子,其性质与标准模型理论预言的希格斯粒子初步吻合,随后被大量实验数据进一步证实。作为唯一的基本标量（自旋为零）粒子,希格斯粒子在标准模型中占据极其特殊的地位,因此,希格斯粒子相关性质的理论研究是理论粒子物理研究的热点。文章简要介绍了希格斯粒子物理的理论问题及其进展。     

弱电统一理论的标准模型

 一、弱电统一理论的背景普适弱相互作用理论1958年,美国物理学家费恩曼和盖尔曼共同提出了矢量流减轴矢量流理论。在电磁相互作用中,电磁流jEM守恒,同强相互作用无关的电子和参与强相互作用的质子的电荷大小相等。在弱相互作用中,轻子弱流jL和核子弱流jH的矢量部分形式完全相同,显示核子弱流jH的矢量部分jV守恒,它和电磁流jEM的同位旋矢量部分,在同位旋空间是同一矢量沿不同方向的分量。盖尔曼提出:类似于电磁相互作用中的磁性,弱相互作用中也应有弱“磁”性。1963年被吴健雄在美国哥伦比亚大学做的实验所证实。     

对称性及其破缺与2008年诺贝尔物理学奖

2008年10月7日瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,将本年度诺贝尔物理学奖的一半授予美国芝加哥大学的南部阳一郎（Yoichiro Nambu）,以表彰他发现了亚原子物理中的对称性自发破缺机制;奖项的另一半由日本高能物理研究所（KEK）的小林诚（MakotoKobayashi）和京都大学的益川敏英（ToshihideMaskawa）分享,     

中间玻色子及其发现后的十年

 十年前,1983年1月25日,西欧中心（CERN）向全世界宣布了一项重大发现:该中心的UA1和UA2两个实验组在正-反质子对撞机上发现了带电中间玻色子W⁺和W^-,这一捷报引起的科学界的激动尚未平复,两个实验组又分别于同年6月和7月宣告了W粒子的电中性伙伴--中性中间玻色子Z°的发现。这两种传递弱相互作用的媒介子的发现,直接有力地证实了电-弱统一理论的正确性。当时,西欧中心所长索培尔评价说:“这是三十五年前发明晶体管以来物理学领域中最重要的发现”。这项举世瞩目的物理成果,马上赢得了科学界的最高荣誉。两位领头人,一位是促使西欧中心将超级质子同步加速器（SPS）改建成质子-反质子对撞机,并负责这个反质子课题的意大利物理学家卢比亚,一位是发明随机冷却技术,从而使反质于便于处理的荷兰物理学家范德梅尔,荣获1984年诺贝尔物理学奖。     

生命起源中的对称性破缺

生命起源中的对称性破缺─—分子的手性是生物学中长期困惑不解的难题。自然界中组成蛋白质的氨基酸几乎都是Ｌ型。最近萨拉姆提出,由于Ｚ°相互作用结合玻色凝聚态理论,在某临界低温有可能引起氨基酸由Ｄ向Ｌ型的二级相变,并通过非线性化学动力学将对称破缺放大。     

受限于对称性破缺狭缝间氢键流体的相平衡研究

利用密度泛函理论并结合改进的基本度量理论研究了受限于对称性破缺狭缝间氢键流体的相平衡. 首先根据氢键流体的吸附-脱附等温线及相应巨势获得不同条件下氢键流体的相图. 进一步讨论了氢键作用、狭缝间距、狭缝与流体分子间相互作用及对称性破缺程度等因素对氢键流体相平衡的影响. 结果表明, 由于狭缝与流体分子及流体分子间的相互作用存在竞争, 使得受限于对称性破缺条件下的氢键流体呈现更为复杂的相态特征.     

动力学自发破缺的模型在有限温度和密度下的状态方程和相结构

本文在Lurie模型的基础上,建立了一种近似计算状态方程的方法.得到了Lurie模型的状态方程所满足的参数方程.该模型的手征相变的相图表明:存在一个临界点c将一级相变和二级相变分开.仔细分析压强对净重子数密度的等温线,其结果表明:发生一级相变时,有过冷和过热的亚稳态,存在有自发破缺的破缺相和无自发破缺的正常相的两相共存.