希格斯机制与电弱对称性破缺

希格斯机制解释了电弱规范对称性如何自发破缺，从而使W和Z玻色子以及费米子获得质量，同时保持光子无质量。

Definition

希格斯机制是指一个具有非零真空期望值的标量场自发破缺SU(2)_L x U(1)_Y电弱对称性的过程，它赋予W和Z玻色子质量，并通过汤川耦合赋予带电费米子质量，同时留下一个可观测的标量粒子，即希格斯玻色子。

Scope

本主题涵盖了应用于规范理论的自发对称性破缺、标量希格斯场及其非零真空期望值的作用，以及由此产生的规范玻色子和费米子质量的生成。它讨论了希格斯玻色子的预测和2012年的发现、决定费米子质量的汤川耦合，以及该机制如何保持电弱理论的可重整化性和规范不变性。

Core questions

• 规范玻色子如何在不明确破坏规范不变性的情况下获得质量？
• 希格斯场的真空期望值的物理意义是什么？
• 汤川耦合如何将希格斯场转化为费米子质量？
• 希格斯玻色子的测量质量对电弱真空的稳定性意味着什么？

Key concepts

• 自发对称性破缺
• 希格斯场和真空期望值
• 戈德斯通玻色子和纵向极化
• W和Z玻色子质量的生成
• 汤川耦合和费米子质量
• 希格斯玻色子

Key theories

规范对称性的自发破缺

当一个标量场获得非零真空期望值时，规范对称性是被隐藏而非不存在，而本应是戈德斯通玻色子的粒子被吸收，赋予规范玻色子纵向极化和质量。

费米子质量的汤川生成

费米子质量来源于费米子场和希格斯场之间规范不变的汤川耦合，因此，赋予玻色子质量的相同真空期望值也决定了夸克和带电轻子的质量。

Mechanisms

在电弱拉格朗日量中，一个复标量双重态具有一个势能，其最小值偏离零场，因此该场稳定在一个非零的真空期望值。围绕这个最小值展开，四个标量自由度中的三个成为W和Z玻色子的纵向模式，提供它们的质量，而剩余的径向激发是物理的希格斯玻色子；光子保持无质量，因为未破缺的电磁U(1)得以保留。

Clinical relevance

2012年，ATLAS和CMS实验在大型强子对撞机上发现了希格斯玻色子，证实了标准模型中最后缺失的成分。对其耦合的持续测量正在检验所观测到的粒子是否与标准模型的预测完全一致，或者是否暗示着新的物理学。

History

该机制于1964年由恩格勒和布鲁特、希格斯以及古拉尔尼克、哈根和基布尔独立提出，表明规范玻色子可以通过自发对称性破缺获得质量。温伯格和萨拉姆在本世纪后期将其纳入电弱理论，预测的标量玻色子最终于2012年在欧洲核子研究中心观测到，这使得恩格勒和希格斯获得了2013年诺贝尔奖。

Key figures

• Peter Higgs
• Francois Englert
• Robert Brout
• Steven Weinberg

Seminal works

• higgs1964
• eng04brout1964
• atlas2012

Frequently asked questions

希格斯场是否赋予所有粒子质量？

它通过耦合赋予W和Z玻色子以及基本费米子质量，但普通物质的大部分质量实际上来自于质子和中子内部夸克和胶子的结合能，而不是直接来自希格斯场。

希格斯玻色子与希格斯场是同一个东西吗？

不是。希格斯场弥漫于整个空间并负责对称性破缺，而希格斯玻色子是该场在大型强子对撞机上探测到的可观测的量子化激发。