为什么希格斯粒子的质量比质子要重很多?

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基本粒子

基本粒子指人们认知的构成物质的最小最基本的单位。但是因为物理学的不断发展，人类对物质构成的认知逐渐深入，因此基本粒子的定义随时间也是有所变化的。目前在粒子物理学中，标准模型理论认为的基本粒子可以分为夸克、轻子、规范玻色子和希格斯粒子四大类。标准模型理论之外也有理论认为可能存在质量非常大的超粒子。


基本粒子列表目录
1 基本粒子定义的变化
2 基本粒子的分类
2.1 费米子
2.1.1 夸克
2.1.2 轻子
2.2 玻色子
2.2.1 规范玻色子
2.2.2 希格斯粒子
3 标准模型理论以外的理论性粒子
3.1 超对称粒子
3.2 假想的粒子



基本粒子定义的变化
传统上（20世纪前、中期）的基本粒子指质子、中子、电子、光子和各种介子，这是当时人类所能探测的最小粒子。 而现代物理学发现质子、中子、介子都是由更加基本的夸克和胶子构成。同时人类也发现了性质和电子类似的一系列轻子，还有性质和光子、胶子类似的一系列规范玻色子。这些是现代的物理学所理解的基本粒子。


基本粒子的分类

费米子

夸克
目前的实验显示共存在6种夸克（quark），和他们各自的反粒子。这6种夸克又可分为3“代”。他们是

第一代：u（上夸克） d（下夸克）

第二代：s（奇异夸克） c（粲夸克）




第三代：b（底夸克） t（顶夸克）

它们的质量关系是。另外值得指出的是，他们之所以未能被早期的科学家发现，原因是夸克决不会单独存在（顶夸克例外，但是顶夸克太重了而衰变又太快，早期的实验无法制造）。他们总是成对的构成介子，或者3个一起构成质子和中子这一类的重子。这种现象称为夸克禁闭理论。这就是为什么早期科学家误以为介子和重子是基本粒子。


轻子
共存在6种轻子（lepton)和他们各自的反粒子。其中3种是电子和与它性质相似的μ子和τ子。而这三种各有一个相伴的中微子。他们也可以分为三代：

第一代：e（电子） νe（电子中微子）

第二代：μ（μ子） νμ（μ子中微子）

第三代：τ（τ子） ντ（τ子中微子）


玻色子

规范玻色子
这是一类在粒子之间起媒介作用、传递相互作用的粒子。之所以它们称为“规范玻色子”，是因为它们与基本粒子的理论杨-米尔斯规范场理论有很密切的关系。

自然界一共存在四种相互作用，因此也可以把规范玻色子分成四类。

引力相互作用：引力子（graviton）

电磁相互作用：光子（photon）

弱相互作用（使原子衰变的相互作用）：W 及 Z 玻色子，共有3种：W + ,W − ,Z0

强相互作用（夸克之间的相互作用）：胶子（gluon）

粒子物理学已经证明电磁相互作用和弱相互作用来源于宇宙早期能量极高时的同一种相互作用，称为“弱电相互作用”。有很多粒子物理学家猜想在更早期宇宙更高能量（普朗克尺度）时很可能这四种相互作用全都是统一的，这种理论称为“大统一理论”。但是目前因为加速器能够达到的能量相对普朗克尺度仍然非常的低，所以很难验证。而大统一理论目前主要的发展方向是超弦理论。


希格斯粒子
希格斯粒子(Higgs)是粒子物理标准模型中唯一还没有在加速器上产生出来的粒子。粒子物理学家们认为希格斯粒子与其他粒子的相互作用使其他粒子具有质量。相互作用越强质量就越大。希格斯粒子本身质量极大，目前的加速器能量还无法达到，而理论的计算也比较困难。物理学家们普遍希望能够在2008年将要开始运行的大型强子对撞器上产生出希格斯粒子。

标准模型预言存在2种希格斯粒子：H + 和H0，但是也有很多科学家提出其他的可能性。

上帝粒子

也叫希格斯玻色子
希格斯玻色子（或称希格斯粒子、希格斯子Higgs boson）是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，至今尚未在实验中观察到。它也是标准模型中最后一种未被发现的粒子。

英国物理学家希格斯（P.W.Higgs）提出了希格斯机制。在此机制中，希格斯场引起自发对称性破缺，并将质量赋予规范传播子和费米子。希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发，它通过自相互作用而获得质量。

幻影粒子-希格斯（Higgs) 粒子

自1899年汤姆逊爵士发现电子开始，直至如今，在一个多世纪的时间里，人类一直孜孜不倦的探索着微观世界的奥秘。当1995年3月2日，美国费米实验室向全世界宣布他们发现了顶夸克时，一套称之为标准模型的粒子物理学模型所预言的61个基本粒子中的60个都已经得到了实验数据的支持与验证，看上去标准模型马上就要获得决定性的胜利，对物质微观结构的探索已经到达了它的尾声，似乎人类也马上就要听到这一跌宕起伏的，充满了高潮与华彩的探索乐章的终曲，但是仍然有一个粒子，游离在这座辉煌的大厦之外，仿佛一个幽灵，这就是希格斯粒子，而且就是这个粒子可能会击垮整座大厦。但是也许会为我们揭示出一条全新的探索旅途。就让我们先来回顾一下上个世纪中期以来粒子物理学的发展历史，以及现在处于主流的标准模型理论。

标准模型

粒子物理学在上个世纪50年代，经历了一个短暂的困难时期，按照诺贝尔奖得主，电弱统一理论提出者之一的斯蒂芬·温伯格的话来说那是“一个充满挫折与困惑的年代”，几乎当时已经应用的理论都遇到了很大的问题。这些困惑激励着物理学家们给出新的解答，从60年代开始，基于杨-米尔斯的非阿贝尔规范场理论，逐步构建完成了现代的标准模型理论。今天，标准模型早已成为粒子物理学的主流理论，它的很多预言不断为一个又一个激动人心的实验成果所证实。标准模型是一套描述强作用力、弱作用力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。它属于量子场论的范畴，但是没有描述重力。

标准模型包含费米子及玻色子两类-费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不兼容原理（这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态）的粒子；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不兼容原理。简单地说，费米子组成物质的粒子，而玻色子负责传递各种作用力。电弱统一理论与量子色动力学在标准模型中合并为一。这些理论都基于规范场论，即把费米子跟玻色子配对起来，以描述费米子之间的力。由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中都不变，所以这些中介玻色子就被称为“规范玻色子”。

标准模型所包含的玻色子有：负责传递电磁力的光子；负责传递弱核力的W及Z玻色子；负责传递强核力的8种胶子。

我们最初提到的希格斯子，也是一种玻色子，然而它与上述这些规范玻色子不同，希格斯粒子负责引导规范变换中的对称性自发破缺，是惯性质量的来源，因此并不是规范玻色子。那么为何质量问题如此重要呢？要解答这个问题，必须回到20世纪60年代理论探索的开始阶段。在研究过程中，杨-米尔斯方法无论应用到弱还是强相互作用中所遇到的主要障碍就是质量问题，由于规范理论规范对称性禁止规范玻色子带有任何质量，然而这一禁忌却与实验中的观测不相符合，如果不能解决质量问题，将使得整个研究失去基础。一开始人们试图通过自发对称破缺机制，即打破规范理论中对拉氏量对称性的严格要求，使得物理真空中的拉氏量不再满足这种对称性，然而到了1962年，每一个自发对称性破缺都被证明必定伴随着一个无质量无自旋粒子，这无疑也是不可能的。1964年，英国物理学家希格斯（Higgs）解决了这个问题，使得自发对称性破缺发生时，那个无质量无自旋粒子仍然存在，但它将变成规范粒子的螺旋性为零的分量，从而使规范粒子获得质量。这一方法被今天的标准模型所借鉴，标准模型通过引入基本标量场——希格斯场来实现谓希格斯机制。通过希格斯场产生对称性破缺，同时在现实世界留下了一个自旋为零的希格斯粒子。

这样我们也就明白了为何希格斯粒子如此重要的原因，可以说它是整个标准模型的基石，如果希格斯粒子不存在，将使整个标准模型失去效力。

萍踪难觅

然而希格斯粒子的真面目却始终无缘识荆，有过几次，人们似乎已经发现了希格斯粒子的踪影，然后它却似乎是故意在人们面前闪现一下影子，然后就如同鬼魅般消失在幽暗之中了。

2000年，位于瑞士的欧洲核子研究中心（CERN）的工作人员通过世界上最大的正负电子对撞机LEP攫取了115GeV的希格斯粒子，但是他们当时的统计数据不足以做出任何确定的推论。

另一次在2003年，物理学家试图通过位于美国芝加哥的费米实验室的正负质子对撞机，让质子与反质子相互对撞分析出希格斯粒子的运动轨迹，试图证实或否定CERN先前的实验结果。但是由于先前计划从旧实验中回收反质子的方案并不可行，而且存在已有二十年之久的正负质子对撞机同样也到了更换的阶段，需要很长的时间来修复，因此费米实验室的研究遇到了一定的挫折。

然而人们似乎已经下定决心一定要找到这个神秘的粒子。2005年，靠近瑞士和法国边境的欧洲核子研究中心将开始运行新的大型质子对撞机（LHC）。这架大型质子对撞机安放在位于地下75米深处，周长约为27公里的隧道中，计划造价约为80亿美元。计划实施时，将有来自34个国家150个研究实验室近2000名科学家参加。乐观的估计，将在2009年前后提供一个确切的答案。

物理学家们怀着宗教般的虔诚，一直致力于理解物质的真正本质，完成对所有物理现象的统一理论，从而获得整个世界的终极知识。这个梦想就好像是圣经中所描述的建造巴别塔的过程。

巴别塔、B小调弥撒曲与大鸟

1988年诺贝尔物理学奖获得者莱德曼在其与和泰雷西合著的《上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什么是问题？》的结尾充分流露出了物理学家们对终极前景的渴望，他这样写道：

“天空中出现了一道炫目的光芒，一束光亮照亮了我们这位沙滩主人。在巴赫B小调弥撒曲庄严、高潮的和弦配乐下，也可能是在斯特拉温斯基的短笛独奏《春之祭》中，天空中的光慢慢地变成了上帝的脸，微笑着，但带着极度甜蜜的悲伤表情。”

标准模型是这样一个被物理学家们寄予很高期望的，通往终极的理论，然而标准模型自身有两个很重要的缺陷：模型中包含了过多的参数，并且理论未能描述重力。而且正如本文一开始指出的，标准模型所预言的希格斯粒子却始终未能在实验中发现。莱德曼对希格斯粒子忧心忡忡，认为它是一个阻止我们获得终极知识的“大坏蛋”。

我不禁想起了《一千零一夜》里的一个著名的故事，一只大鸟夺走了王子的戒指，王子去追逐这只大鸟，这只大鸟飞过一段距离后，就故意停下来等王子追近，每次王子感到马上就要赶上大鸟的时候，大鸟却一下子又振翅飞走了。好像终极知识就是可恶那只大鸟，每当我们觉得已经就要得到之时，他就一下子又走远了。一旦希格斯粒子被证实不存在，那么整个物理学就将经历一场新的困惑和震动，我们不得不再次目睹终极理想离我们远去。

米兰·昆德拉说过一句古老的犹太谚语：“人类一思考，上帝就发笑”，能否获得终极也许不是最重要的。人类是思考的动物，探索的历程以及这一历程中的新发现才是我们人类生存的意义所在。

　　因为被加速到接近光速的质子质量也是大得吓人，所以这些碎片还是比加速后的质子轻的， 能量守恒。
再进一步解释：
首先质量其实就是能量，而各种场的相互作用其实就是能量的载体。如果能量能稳定地被封闭在一个区域内，就是“静止质量”。 这堆“质量”运动的时候因为狭义相对论的关系会变重，称为“运动质量”。
基本粒子是场的某个自由度被能量激发产生的谐振状态，比如希格斯玻色子就是希格斯场的一个自由度的激发态，或者说是希格斯场一个自由度自耦合的谐振态。 又或者说是希格斯场的一种涟漪。
质子的静止质量来源于构成质子的夸克本身的质量（小部分）和夸克之间的强相互作用色动力学的能量（大部分）。 夸克的质量来源于和和希格斯场的汤川耦合。
当质子被加速对撞的时候相互作用的能量很大，远大于质子本身的静止质量， 就有可能激发一些场然后经过一些相互作用再激发希格斯场。
如果你的问题是前者，就没有简单的答案的， 其中会涉及到很多基本模型场论的数学。
　　希格斯玻色子是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子。物理学家希格斯提出了希格斯机制。在此机制中，希格斯场引起自发对称性破缺，并将质量予规范传播子和费米子。希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发，它通过自相互作用而获得质量。
　　质子(proton)是一种带 1.6 × 10-19 库仑(C)正电荷的亚原子粒子，直径约 1.6~1.7×10−15 m ，质量是938百万电子伏特/c²(MeV/c²)，即1.672621637（83）×10-27千克，大约是电子质量的1836.5倍（电子的质量为9.10938215（45）×10-31千克），质子比中子稍轻（中子的质量为1.674927211（84）×10-27千克）。质子属于重子类，由两个上夸克和一个下夸克通过胶子在强相互作用下构成。原子核中质子数目决定其化学性质和它属于何种化学元素。

我不知道你要问的本质是什么？ “希格斯粒子为什么有它现在的质量， 质子为什么有它的质量，为什么差那么多？” 或者 “既然质子对撞产生希格斯波色子，为什么对撞的“碎片”比产生它们的质子还要大？为什么“基本”粒子的质量比不基本的要大？”
如果是后者，就很简单，因为被加速到接近光速的质子质量也是大得吓人，所以这些碎片还是比加速后的质子轻的， 能量守恒。
再进一步解释：
首先质量其实就是能量，而各种场的相互作用其实就是能量的载体。如果能量能稳定地被封闭在一个区域内，就是“静止质量”。 这堆“质量”运动的时候因为狭义相对论的关系会变重，称为“运动质量”。
基本粒子是场的某个自由度被能量激发产生的谐振状态，比如希格斯玻色子就是希格斯场的一个自由度的激发态，或者说是希格斯场一个自由度自耦合的谐振态。 又或者说是希格斯场的一种涟漪。
质子的静止质量来源于构成质子的夸克本身的质量（小部分）和夸克之间的强相互作用色动力学的能量（大部分）。 夸克的质量来源于和和希格斯场的汤川耦合。
当质子被加速对撞的时候相互作用的能量很大，远大于质子本身的静止质量， 就有可能激发一些场然后经过一些相互作用再激发希格斯场。

如果你的问题是前者，就没有简单的答案的， 其中会涉及到很多基本模型场论的数学。

图中＋－号代表不可分割的最小正负电磁信息单位-量子比特（qubit）

（名物理学家约翰.惠勒John Wheeler曾有句名言:万物源于比特 It from bit

量子信息研究兴盛后,此概念升华为，万物源于量子比特）

注：位元即比特

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永丰县19841771051： 为什么希格斯玻色子的质量会大于质子的质量? - ？
万鱼佩乐： 说Higgs机制描述了质量起源,并不是说Higgs粒子是质量之源,而它更不是构成物质的单元.你的理解有误,不要想当然. 正确的说法是,物质场由于对称性自发破缺而获得质量,这称为higgs机制.higgs粒子是破缺之后没有被规范场吃掉而剩下的goldstone粒子. 当然,第二段话你可以略去.

永丰县19841771051： 希格斯玻色子的质量从何而来 - ？
万鱼佩乐： 希格斯玻色子不但有质量,而且是粒子物理标准模型中质量最大的.它是希格斯场的场量子化激发,它通过自相互作用而获得质量.

永丰县19841771051： 希格斯玻色子的质量从何而来现在都在说希格斯玻色子是质量之源,那么它是不是粒子,它不可能没有质量吧? - ？
万鱼佩乐：[答案] 希格斯玻色子不但有质量,而且是粒子物理标准模型中质量最大的.它是希格斯场的场量子化激发,它通过自相互作用而获得质量.

永丰县19841771051： 什么叫上帝粒子(上帝粒子有什么用) ？
万鱼佩乐： 1、随着发现越来越多,科学家对希格斯玻色子的认识也在不断加深.经过50多年的探索,科学家揭开了这种亚原子粒子的神秘面纱.希格斯玻色子,也被称为上帝粒子,...

永丰县19841771051： higgs粒子为什么重要 - ？
万鱼佩乐： 电弱统一理论是在假设存在higgs boson 和其他62种基本粒子的基础上建立的 第61种顶夸克早在1994年就被发现了 如果higgs boson 不存在 整个电弱统一理论就会崩溃 而这个理论现在已经被很广泛的接受…所以说它狠重要 它不存在 就会是一场物理学革命…

永丰县19841771051： 希格斯粒子本身有质量么? - ？
万鱼佩乐： 许多理论学家预测新的物理学会建构在标准模型之上能量在TeV的尺度,基于不足的标准模型性质.希格斯粒子(或其他的电弱对称机制)可能的最大质量是1.4 TeV;除了这一点,标准模型变的不相容,因为统一性违反了一些散射的过程.许多超对称性的模型预测出最轻的希格斯粒子的质量比现在实验在高一点,大约120 GeV或者更低.

永丰县19841771051： 希格斯机制是如何赋予基本粒子质量的 - ？
万鱼佩乐： 现在来说是唯一途径.如果不能解决,那就是希格斯玻璃色子是和反物质一样存在与4维以上的空间,我们无法捕捉,即使希格斯玻色子真的存在,对霍金等理论物理学家来说,标准模型也并不令人满意.例如,它并不能解释引力的存在(这也是量子力学的命伤),也不能解释“暗物质”,后者的作用是防止我们银河系这样的螺旋状星系崩溃.如果用望远镜观测宇宙,大多数宇宙中的物质是看不到的,但是我们可以通过引力作用感知它们的存在.

永丰县19841771051： 物质为何有质量 - ？
万鱼佩乐： 希格斯场给夸克和电子这样的基本粒子赋予了质量.可见的宇宙主要由质子和中子这样的粒子构成,这些粒子是由夸克构成的.就好像一片葡萄干面包的重量要远远超过其中葡萄干的总重量一样,质子和中子的质量也大于其中夸克质量的总和.将夸克聚合在一起的强核力承担了大部“赋予质量”的工作

永丰县19841771051： 宇宙的秘密 - ？
万鱼佩乐： 谁能解开宇宙的秘密呢?世上真的有一本书,明白写着:创造者创造宇宙万物就是为了地球 备受瞩目的“上帝粒子”,是因为我们知道在自然界中存在四种力:引力(重力)、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力.引力的问题则有相对论进...

永丰县19841771051： 希格斯玻色子有什么用? - ？
万鱼佩乐： 希格斯玻色子(或称希格斯粒子、希格斯子,Higgs boson)是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子,至今尚未在实验中观察到.它也是标准模型中最后一种未被发现的粒子. 标准模型给出了自然界四种相互作用中的电磁相互作...