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质量问题不难说明
如果把质量直接加到主方程中
方程的规范对称性就会被破坏
规范对称性是理论的核心
从中我们推出了自然界中所有的相互作用力
糟糕的是
在二十世纪七十年代
理论物理学家证明
放弃规范对称性是不可取的
因为那样模型就会崩溃
变得毫无意义
到了一九六四年
这一僵局被三个相互独立团队打破了
来自比利时的弗朗索瓦
恩格勒特和罗伯特
布劳特
来自伦敦的杰拉尔
德古拉尔尼克
卡尔哈根和汤姆
基布尔与来自爱丁堡的彼得
西格斯分别发表了具有里程碑意义的论文
并最终形成了西格斯机制
怎么来解释质量呢
我们从一个没有质量的理论开始
在这个理论中
质量根本不存在
我们也根本不会为它发明一个词
如前所述
一切都会以光速来回运动
现在
假设理论发生了一些变化
粒子运动的速度不再是光速了
他们开始分别以较慢的不同速度移动
那么你可以说
理论中发生的事情就是质量起源的原因
那个事情就是西格斯机制
现在是揭示它是什么的时候了
假定你蒙着眼睛
拿着一根绳
绳端吊着一个乒乓球
猛的拽一下绳子
就会感觉到另一端有一个小质量的物体
进一步假定
乒乓球不是自由移动的
而是浸在糖浆里
这种情况下
如果你猛拉绳
会遇到更多阻力
因此可以得到结论
末端的东西比乒乓球重得多
因为乒乓球被糖浆阻碍着
球表现的更重了
现在假定整个宇宙中弥漫着糖浆
糖浆无处不在
以至于我们都不知道它在哪里
然而它却是宇宙的背景
事物在其中生灭
当然
糖浆的类比仅限于此了
这样的糖浆必须具有选择性
它阻挡夸克和亲子
但允许光子自由穿过
你可以这样进一步推进类比
来匹配真实的情况
但是不要忘记
这毕竟只是一个类比
西格斯等人的文章并没有提到什么糖浆
他们提到的是西格斯厂
西格斯厂与电子厂一样
有一个与之对应的例子
西格斯粒子
不过也有个很大的区别
即使周围没有西格斯粒子
西格斯场也不会是零
从这个角度看
它更像是无处不在的糖浆
所有标准模型的粒子都在西格斯场的背景中移动
其中一些粒子比其他粒子受它的影响更大
主方程的最后两行呈现了这样的物理原理
其中
西格斯厂尤福号斐表示
第三行中包括两次与b和w
我们使用了缩写
它们隐藏在主方程第三条线的d符号中
同时出现的y部分
便是产生w粒子和z粒子拥有质量的原因
在这个巧妙设计的理论中
光子没有质量
位于b和w中的光子在第三行抵消
同样
这都隐藏在符号d中
而且交子场迹始终没有出现
它也没有质量
这与实验完全一致
加入西格丝厂
让粒子产生了质量
同时没有破坏规范对称性
这是因为质量是由于粒子与西格斯场相互作用而产生的
这就是整个想法的神奇之处
我们可以得到粒子的质量
而不必付出失去规范对称性的代价
因此
主方程的第四行是西格斯厂赋予物质粒子质量的地方
美中不足的是
还没有实验看到过西格斯粒子
标准模型中的其他粒子都在实验中产生了
只有西格斯粒子是整个拼图中缺失的一角
如果它真的如预言般存在
那么标准模型将再次取得胜利
他成功的列表中会添加一项对质量起源的解释
就像所有其他粒子相互作用一样
标准模型精确的规定了西格斯粒子在实验中如何呈现自己
他唯一没有告诉我们的是西格斯粒子本身的质量
他只是预测了这种粒子的质量在一个特定范围内
介于w粒子和顶夸克的质量之间
如果西格斯粒子的质量处于这个范围较轻的一端
那么LEP就能看到它
实际上
它没有被LEP看到
因此我们认为它的质量处在较重的一端
无法在LEP中产生
根据e等于MC平方
产生较重的粒子需要更多的能量
在写作本书时
位于芝加哥附近的费米国家加速器实验室
费米实验室的兆电子伏特加速器正在寻找着西格斯粒子
但是迄今为止
它仍毫无收获
尽管兆电子伏特加速器举足轻重
但很有可能它也没有提供足够的运行能量
从而传递出清晰的西格斯信号
LHC是迄今为止建造的运行能量最大的加速器
它的运行能量远超过标准模型对西格斯粒子设定的上限的能量
因此
它确实应该一劳永逸的解决西格斯粒子存在的问题
也就是说
LHC要么确认标准模型
要么打破标准模型
我们马上回来解释为什么我们那么确信LHC会完成早期对撞机无法完成的任务
回来之前
我们先要解释LHC是如何制造西格斯粒子的
LHC建在LEP的隧道中
隧道长二十七千米
然而除了共用一个隧道外
其他一切都不一样
现在
一个全新的加速器占据了曾经LEP的空间
它能够在隧道中朝相反的方向加速质子
使其能量超过其智能的七千倍
以这样的能量粉碎质子
能将粒子物理推进到一个新时代
如果标准模型是正确的
就会有大量的西格斯粒子产生
质子是由夸克组成的
如果我们想弄清楚LHC中会发生什么
我们需要搞清楚相关的费曼图
图二十二显示了重要的常规标准模型粒子和西格斯粒子之间的相互作用顶角
它显示了西格斯粒子与最重的夸克顶夸克标记为t和与它重量相当的w粒子或z粒子的相互作用
其中西格斯粒子由虚线表示
负责质量起源的粒子更倾向于与周围质量最大的粒子相互作用
考虑到质子提供的夸克源
下面要做的是确定如何将西格斯顶角嵌入到一个更大的费曼图中
这样我们就能搞清楚如何在LHC上制造出西格斯粒子
由于夸克与w或z粒子存在相互作用
因此不难确定西格斯粒子是如何通过w或z粒子产生
如图二十三所示
碰撞质子
标记为p的一个夸克发出一个w或z粒子
这些粒子结合在一起形成西格斯粒子
这一过程被称为弱波色子聚变
这是LHC中的一个关键过程
顶夸克的产生机制问题有点难解
决
因为质子内部不存在顶夸克
所以需要找到一种把上或下轻夸克转换到顶夸克的方法
顶夸克通过强力与氢化克相互作用
也就是说
它们通过发射和吸收胶子来传递相互作用
如图二十四所示
图中的过程与弱波色子聚变过程非常相似
由是交子取代了w粒子或z粒子
由于这一过程是通过强粒进行的
所以它最有可能在LHC中产生西格斯粒子
这种方式被称为交子聚变
这就是西格斯机制
它是目前被广泛接受的质量起源理论
如果一切按计划进行的话
LHC将会证明有关质量起源的标准模型
或者否定它
因此
未来的几年对物理学家来说是激动人心的几年
我们一流的自然科学处在这样一种状态
他拥有可以准确预测实验结果的理论
因此可以根据自然结果判断自身的好坏
但是
如果标准模型是错误的呢
难道不能发生一些完全不同的
令人意想不到的事情吗
也许标准模型因缺少西格斯粒子而变得不够完美
这些情况都是有可能的
因此
LHC必然将揭示一些新的东西
这令粒子物理学家无比兴奋
LHC肯定可以看到新东西
因为在它的运行能量范围内
除去西格斯粒子的标准模型是没有意义的
它的预测也是支离破碎的
LHC是第一台踏入这个未知领域的离子加速器
更具体一点说
如果我们把西格斯粒子部分剔除于主方程
对于两个w粒子已超过质子质能一千倍的能量碰撞
我们不能计算出会发生什么
而这样的碰撞正是LHC中的碰撞
相反
加上西格斯粒子部分
这个问题就可以计算了
但是
这不是唯一的选择
还有其他方法可以处理w粒子散射的过程
无论大自然选择哪种方式
LHC测量到的东西必然包含着我们从未遇到过的物理规则
这一点是肯定的
对于科学家来说
在确保能得到有趣的结果的情况下进行实验是极其少见的
这也正是LHC多年来最受期待的原因