质量的起源与“上帝粒子”之谜

罗民兴

（2012年12月27日）

[主讲人简介]

罗民兴 浙江大学教授，博士，博士生导师。1990年获美国宾夕法尼亚大学博士学位，先后在美国宾夕法尼亚大学和美国华盛顿大学进行博士后研究。主要研究领域：量子场论和粒子物理理论。1997年入选教育部跨世纪优秀人才，1999年入选浙江省“新世纪151人才工程（第一层次）”，2000年获浙江省高校中青年学科带头人，2004年获得国家杰出青年科学基金，2007年入选教育部长江学者特聘教授。

[核心内容]

今年7月份发现了Higgs粒子，它另外一个名称叫“上帝粒子”。在过去的20年里我们做过各种实验，从最早的LEP实验到近期才关掉的Tevatron，再到今天的LHC实验，在做的一件非常重要的事情就是寻找Higgs。

由于有的关系，那么多粒子构成的集合体，其质量既可能大于也可能小于单独粒子质量之和。小于单独粒子质量之和这件事在核物理里起到非常重要的作用，正因为不同核之间结合起来，不同的结合能，才产生了核能。

由宏观质量到粒子质量，宏观物体的质量貌似只是一个任意参数，为什么基本粒子的质量是个问题？这涉及到过去的一百年里我们对相互作用的理解问题。在这一百年里学到了一件非常重要的事情，就是所有的相互作用是由对称性所决定，基本粒子相互作用是由对称性所决定，不知道对称性是否成立就不能随便去破坏它，不能随便加质量。

为解决w和z这两个粒子的质量问题，我们需要对称性，但是对称性又不能明显地表示出来，所以我们得想一个办法，这个办法就是对称性自发破缺。

一开始人们是在超导里发现了对称性自发破缺的事情。在超导体里，能量最低的状态下，U（1）对称性被破坏。这个现象最先是由犹太物理学家发现的，后来做基本粒子的物理学家把这个引入到描述基本粒子的理论里。

所以，回过头来看，你会觉得直接把这件事情抄过来就好了，但是历史不是这么发展的。首先是分析整体对称性，在那里你会发现整体对称性自发破缺，有零质量的问题。

历史上有人认为这个东西没有用，但是绕了一个小弯之后，物理学家就意识到，实际上我们可以把超导里的现象几乎原封不动地搬过来。的确，在这种情况下可以给矢量粒子加质量。在这个意义上来说，Higgs机制基本上符合了凝聚态物理的思想。整体对称性自发破缺不是完全没有用的，出现了π介子理论。质子和中子相比的话，π介子是很轻的粒子。从粒子物理角度来说，我们需要真的把超导理论搬过来，这就是所谓的“Higgs机制”。

从对称性的角度可以看到规范粒子和费米子无法加质量，那怎么来加质量呢？数学上是引进一个非零真空期望值，让系统处于能量最低的某一点，经过计算发现的确得到了你想要的东西。Higgs粒子有很多问题，其实是Higgs本身质量有问题，如何理解质量，还需要物理学继续的发展。

[经典语录]

粒子物理不直接描述引力，只描述强相互作用、弱相互作用和电子相互作用。