弱力对称的自发破缺
我们已经看到,与弱力相关的内部对称变换能够对调弱力作用下的所有东西,因为对称变换会作用于所有与弱规范玻色子相互作用的东西。因此,与弱力相关的内部对称必然也作用于希格斯1和希格斯2场或它们会产生的希格斯1和希格斯2粒子,把它们都同等看待,就如对待同样经受弱力的上夸克和下夸克一样,把它们看做可交换的粒子。
如果两个希格斯场的值都是零,它们就会是同等的、可以交换的,这就完全保持了与弱力相关的对称。但当其中的一个希格斯场取非零值时,希格斯场便自动打破了弱力对称。如果一个场为零而另一场非零,那么希格斯1和希格斯2赖以互相交换的弱电对称就被打破。
就如第一个选择了左边或右边杯子的人打破了圆桌上的左右对称一样,一个希格斯场取非零值,就打破了将两个希格斯场对调的弱力对称。对称的打破是自发的,因为打破它的是真空——系统的实际状态,在这一例里是非零值的场。但物理定律没有改变,它仍保持对称。
我们来看一幅图,这有助于理解一个非零的场怎样打破弱力对称。图10-1是有两个轴的图,分别标以x和y。两个希格斯场等价,就像两个没有点的坐标轴的等价一样。如果将图旋转,使两轴变换位置,图看上去还是同样的。这是通常的旋转对称的结果。
当选取一点
x=0,y=0时,旋转对称仍旧保持;但如果选取的点是x=5,y=0,旋转对称则被打破。
请注意,如果我在x=0,y=0的位置标一个点,这一旋转对称仍能完全保持。但如果标一个非零坐标值的点,如x=5,y=0,则不再保持旋转对称。两个坐标轴不再对等,因为这一点的x值,而非y值,不等于零。
希格斯机制自发打破弱力对称的方式与此类似。如果两个希格斯场都是零,则保持对称;如果一个是零,而另一个非零,弱力对称则自发破缺。
弱规范玻色子的质量说明了弱力对称发生自发破缺的精确能量。那个能量是250GeV,即弱力能标,非常接近弱规范玻色子W-、W+和Z的质量。当粒子的能量大于250GeV时,发生的相互作用就好像对称仍旧保持;但当能量小于250GeV时,则对称被打破,弱规范玻色子的行为就像有了质量。有了非零希格斯场的正确值,弱力对称就在那个能量被打破,而弱规范玻色子则正好获得正确的质量。
作用于弱规范玻色子的对称变换同样也作用于夸克和轻子,而夸克和轻子没有质量,那么这些变换就会使事物保持原状。这意味着弱力对称只有在夸克和轻子没有质量时才会保持。因为弱力对称在高能量是必不可少的,而对称的自发破缺,不仅弱规范玻色子获得质量需要,夸克和轻子要获得质量,对称破缺也是必需的。希格斯机制是标准模型的所有这些基本粒子获得质量的唯一途径。
希格斯机制的作用在于保证了所有将它包含在内的理论,既使弱规范玻色子(以及夸克和轻子)具有质量,也能对高能表现作出正确预言。具体来说就是,对高能弱规范玻色子——能量超过250GeV的那些——似乎保持了对称,因此不会作出不正确的预言。在高能量时,与弱力相关的内部对称仍旧滤除了可能引起过高作用频率的弱规范玻色子的问题极化,但在低能量上,质量对产生弱力的小距离相互作用是必不可少的,因而弱力对称就被打破了。
这就是希格斯机制非常重要的原因,所有赋予这些质量的其他理论都没有这种性质。其他方法要么在低能出现错误,得到错误的质量;要么在高能出现错误,作出错误的相互作用预言。
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