希格斯粒子發(fā)現(xiàn)之后，粒子物理學(xué)家還在期待什么？

十年前，2012年7月4日，歐洲核子研究中心（CERN）宣布發(fā)現(xiàn)希格斯粒子。這個(gè)俗稱“上帝粒子”的基本物質(zhì)對(duì)學(xué)術(shù)界和公眾都產(chǎn)生了巨大影響——它最終的發(fā)現(xiàn)印證了60年前的理論預(yù)言，被認(rèn)為填補(bǔ)了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型最后一塊空白；同時(shí)登上世界各地媒體的頭條，宣告了基礎(chǔ)物理學(xué)的又一次勝利。然而，標(biāo)準(zhǔn)模型的不完美使許多問(wèn)題仍未有答案，十年間粒子物理學(xué)家并沒(méi)有再次迎來(lái)這樣的勝利，只是看到些許“裂痕”，他們還在期待希格斯粒子能給予更多的答案。

撰文 | 瞿立建

2012年7月4日，歐洲核子研究中心（CERN），粒子物理學(xué)家濟(jì)濟(jì)一堂，來(lái)聽(tīng)一次非同尋常的學(xué)術(shù)報(bào)告——發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的報(bào)告。實(shí)驗(yàn)結(jié)果在幻燈片上呈現(xiàn)出來(lái)時(shí)，會(huì)場(chǎng)掌聲雷動(dòng)，與會(huì)者興奮的內(nèi)心好像感受到了希格斯場(chǎng)，頓時(shí)沉甸甸的，為自身能參與創(chuàng)造這樣的歷史時(shí)刻而激動(dòng)。

歐洲核子中心學(xué)術(shù)報(bào)告廳里科學(xué)家歡聲雷動(dòng)

現(xiàn)場(chǎng)之外，世界各地的粒子物理學(xué)家通過(guò)視頻直播見(jiàn)證這一時(shí)刻。

德國(guó)電子加速器漢堡研究中心的物理學(xué)家在觀看視頻直播

美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家，放棄獨(dú)立日休假，午夜收看視頻直播。

對(duì)這一純科學(xué)發(fā)現(xiàn)激動(dòng)不已的不僅僅有科學(xué)家，還有普通公眾。

公眾反響

報(bào)告會(huì)之后，CERN召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，向公眾披露這一純物理新聞，各大報(bào)紙頭版頭條予以報(bào)道。其他傳媒也涌向這個(gè)選題，出版社推出多種相關(guān)的科普書，多部位列暢銷書榜，電視臺(tái)邀請(qǐng)各路科學(xué)家走入演播室，向觀眾釋疑解惑，多部相關(guān)紀(jì)錄片在大小屏幕播放。

CERN收集的世界各大報(bào)對(duì)發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子新聞的報(bào)道

希格斯玻色子成了當(dāng)年最熱門的公眾話題，科學(xué)和科普交相輝映。次年，希格斯玻色子相關(guān)理論的兩位提出者，英國(guó)物理學(xué)家希格斯（Peter Higgs）和比利時(shí)物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒（Fran?ois Englert），共同獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。再次將“上帝粒子”的盛宴推向大眾。

為何有此等盛況？這與科學(xué)家和科普作家在多年前提早的“布局”和預(yù)熱有很大關(guān)系。

早在1993年，諾貝爾獎(jiǎng)得主利昂·萊德曼及其合著者出版了科普書《上帝粒子》（The God Particle），這本書讓人談到希格斯粒子言必稱上帝粒子。

《上帝粒子》（The God Particle）第一版，1993年

《上帝粒子》中文版，2003年

還有另外一個(gè)事件激發(fā)了公眾的想象力。

1993年，英國(guó)科學(xué)大臣征集面向公眾的希格斯場(chǎng)和希格斯粒子最佳解釋，獎(jiǎng)勵(lì)為一瓶香檳。最終倫敦大學(xué)學(xué)院的大衛(wèi)·米勒教授贏得了這瓶香檳。米勒教授把希格斯場(chǎng)比作一群摩肩接踵的雞尾酒會(huì)參加者，一個(gè)普通人可以輕松穿過(guò)人群，而一個(gè)大咖走來(lái)，會(huì)瞬間吸引人圍過(guò)來(lái)，大咖穿過(guò)人群就會(huì)很費(fèi)勁。希格斯場(chǎng)與粒子作用與之類似：粒子會(huì)吸引希格斯場(chǎng)過(guò)來(lái)，減慢自己的行進(jìn)速度，減少得越多，代表希格斯場(chǎng)賦給該粒子的質(zhì)量越大。

希格斯場(chǎng)可類比為雞尾酒會(huì)參加者

這個(gè)類比可能會(huì)讓普通人覺(jué)得自己也懂希格斯機(jī)制了。

但是，這些事情只能解釋西方人對(duì)希格斯的熱情，無(wú)法解釋世界其他地方——比如中國(guó)——人們對(duì)發(fā)現(xiàn)希格斯粒子相關(guān)科學(xué)新聞的熱情。畢竟《上帝粒子》的中文版也不是暢銷書，雞尾酒會(huì)上不擼串，更不會(huì)對(duì)“上帝”感興趣。這說(shuō)明一件事：公眾對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)的好奇心和熱情超出我們的刻板印象。

希格斯粒子研究在學(xué)界和公眾里都迎來(lái)了高光時(shí)刻。相關(guān)研究是不是就此謝幕？

并不是。

對(duì)希格斯玻色子的研究就像尋寶，找到希格斯粒子知識(shí)就找到了寶藏，但還沒(méi)有把寶物挖掘出來(lái)。過(guò)去十年里，粒子物理學(xué)家們?nèi)匀槐３种畛醯呐d奮，進(jìn)行著挖寶活動(dòng)。粒子物理學(xué)家希望挖到的寶物是，能解決標(biāo)準(zhǔn)模型還不能給出標(biāo)準(zhǔn)答案的一些問(wèn)題，比如暗物質(zhì)是什么？物質(zhì)為什么比反物質(zhì)多？宇宙如何起源并走向何種命運(yùn)？

標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子。紫色部分為夸克，夸克有6種味，每種味有3種色，每種夸克都有反夸克，總計(jì)36種夸克。綠色部分為輕子，輕子有6種味，沒(méi)有色，有反粒子，總計(jì)12種輕子。圖中夸克和輕子排成3列，每一列構(gòu)成物質(zhì)的一代?？淇撕洼p子右邊一列是規(guī)范玻色子，其中膠子有8種色，沒(méi)有反粒子，光子和Z玻色子各只有一種，W玻色子有反粒子，總計(jì)2種。最右邊粒子是希格斯玻色子，只有1種。標(biāo)準(zhǔn)模型總計(jì)61種基本粒子

現(xiàn)在，我們看看，未來(lái)還會(huì)有什么大新聞。

耦合

希格斯粒子通過(guò)與粒子的相互作用——物理學(xué)家稱為“耦合”來(lái)賦予其他粒子以質(zhì)量，耦合強(qiáng)度不同，粒子也就有了不同的質(zhì)量。比如目前為止，所有測(cè)量都與標(biāo)準(zhǔn)模型一致，這帶給物理學(xué)家更多的不是安慰，而是疑惑。粒子為什么有它們各自那些質(zhì)量？

標(biāo)準(zhǔn)模型里粒子的質(zhì)量的值是物理學(xué)家精心賦予的，而不是從理論中推導(dǎo)出來(lái)的。粒子物理是一個(gè)很有“野心”的領(lǐng)域，要揭示世界最基本的運(yùn)行法則，得到萬(wàn)事萬(wàn)物的理論。結(jié)果，重要的參數(shù)是精心挑選的，豈不是很諷刺？就像你要發(fā)展一個(gè)萬(wàn)有引力理論，蘋果、天體、人各自滿足不同的吸引力規(guī)則。這不是萬(wàn)有引力理論，這是獨(dú)有引力理論。

以電子、陶子（tauon）、繆子（muon）為例，說(shuō)說(shuō)物理學(xué)家所疑惑的問(wèn)題。

標(biāo)準(zhǔn)模型里，這三種粒子唯一的不同是質(zhì)量不同，即它們與希格斯粒子的耦合強(qiáng)度不同。有些物理學(xué)家猜想，粒子還有更深層次的結(jié)構(gòu)，對(duì)希格斯粒子與其他粒子的耦合做細(xì)致地測(cè)量，有望出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法解釋的結(jié)果，進(jìn)而順著此線索，發(fā)展出更基本的理論。

實(shí)驗(yàn)上測(cè)量耦合的方法是觀察希格斯粒子的產(chǎn)生和衰變。

希格斯粒子被發(fā)現(xiàn)的時(shí)候就確定出希格斯粒子與其他玻色子的耦合。2016年，實(shí)驗(yàn)上確定出了希格斯子與陶子的耦合。這些實(shí)驗(yàn)都沒(méi)有給出預(yù)期之外的結(jié)果。

不過(guò)，希望還沒(méi)有完全破滅。

2018年，物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)上做了頂夸克、反頂夸克與希格斯粒子的耦合。頂夸克是最重的基本粒子，與希格斯粒子耦合最強(qiáng)。偏離標(biāo)準(zhǔn)模型的顯著現(xiàn)象更可能出現(xiàn)于此。遺憾的是，2018年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果依然沒(méi)有什么驚喜。

令人沮喪。

沒(méi)有意外的結(jié)果，一個(gè)可能的原因是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差還比較大，如果實(shí)驗(yàn)精度提高，也許就會(huì)發(fā)現(xiàn)不符合預(yù)期的現(xiàn)象。

但是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也使物理學(xué)家越來(lái)越覺(jué)得一個(gè)大膽的想法很靠譜：希格斯粒子可能不止一種，或可能有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

孤單粒子

粒子物理學(xué)家對(duì)于解決標(biāo)準(zhǔn)模型的缺點(diǎn)有一個(gè)特別看好的方案：超對(duì)稱。在超對(duì)稱理論中，每個(gè)粒子都有一個(gè)伙伴粒子。LHC開(kāi)機(jī)之前，物理學(xué)家希望LHC能發(fā)現(xiàn)這樣的伙伴粒子。然而，到目前為止，一無(wú)所獲。超對(duì)稱理論盡管還沒(méi)有被完全排除，但留給它的希望不太多了。

超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論不止超對(duì)稱，目前還看不出哪個(gè)理論最有希望勝出。物理學(xué)家希望測(cè)量希格斯粒子的性質(zhì)，能揭示出標(biāo)準(zhǔn)模型之外的東西，為新物理指引方向。

物理學(xué)家正在探究的希格斯粒子的一個(gè)性質(zhì)是，它是不是獨(dú)一無(wú)二的。

希格斯粒子顯得孤單

其他基本粒子都有自旋，而希格斯粒子自旋為零。自旋為零的玻色子稱為“標(biāo)量粒子”。

其他粒子都有近親，希格斯玻色子是不是也應(yīng)該有標(biāo)量近親？超對(duì)稱理論，以及其他一些理論就預(yù)言，存在多種希格斯粒子。有粒子物理學(xué)家猜想，希格斯粒子可能只是我們發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)標(biāo)量粒子，也許存在一個(gè)標(biāo)量粒子家族，等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。

也有可能，希格斯粒子不是基本粒子，是由更基本的粒子組成的。有些粒子組合起來(lái)，可以組成零自旋的粒子，比如兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成的α粒子，由夸克粒子組成的π介子。

粒子物理里最近還有些令人困惑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能與希格斯粒子的性質(zhì)有關(guān)。

2021年，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的繆子磁性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言不符。2022年4月，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室報(bào)道稱，W玻色子的質(zhì)量大于標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言。

這些難題的答案，也許就隱藏在希格斯粒子中。它是標(biāo)準(zhǔn)模型中最晚發(fā)現(xiàn)的粒子，是研究最少的粒子，也是我們破解物質(zhì)世界終極奧秘的希望所在。

自耦合

希格斯粒子與自身有沒(méi)有相互作用，即會(huì)不會(huì)自耦合？

希格斯自耦合還未進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量。理論物理學(xué)家期待著相關(guān)測(cè)量，相信一定會(huì)帶來(lái)新的物理。

希格斯自耦合與希格斯勢(shì)密切相關(guān)。希格斯勢(shì)是一個(gè)函數(shù)，描述希格斯場(chǎng)的能量。這個(gè)函數(shù)的圖形像個(gè)卷檐帽，也稱墨西哥帽。

希格斯勢(shì)的圖形像墨西哥帽。在宇宙早期，宇宙處于帽頂處，之后宇宙會(huì)慢慢演化到帽檐的溝里，在這個(gè)過(guò)程中，各基本粒子獲得了質(zhì)量。

在宇宙早期，剛產(chǎn)生希格斯場(chǎng)的時(shí)候，希格斯勢(shì)決定了基本粒子如何獲得質(zhì)量。對(duì)粒子如何從沒(méi)有質(zhì)量變得有質(zhì)量的研究，這有助于理解宇宙中物質(zhì)為何多于反物質(zhì)。

宇宙誕生早期，希格斯場(chǎng)扮演了什么樣的角色，答案在希格斯勢(shì)里。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，由希格斯粒子和頂夸克的質(zhì)量，可以確定出希格斯勢(shì)的一級(jí)近似結(jié)果。從目前的結(jié)果看，幾十億年前，宇宙進(jìn)入了希格斯勢(shì)一個(gè)局域極小值點(diǎn)，而非全局極小值點(diǎn)，意思是宇宙是亞穩(wěn)態(tài)的；未來(lái)宇宙會(huì)進(jìn)入另一更小的極小值點(diǎn)，即發(fā)生相變，基本粒子質(zhì)量隨之而變，我們現(xiàn)在所熟悉的宇宙會(huì)面目全非。

不過(guò)，現(xiàn)在還不必悲觀，有些超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論預(yù)言了一些粒子及其相互作用，讓希格斯場(chǎng)呈現(xiàn)另外的面貌，挽救宇宙的命運(yùn)。

標(biāo)準(zhǔn)模型得到的宇宙的穩(wěn)定性，中間黑點(diǎn)為當(dāng)前的測(cè)量結(jié)果，三個(gè)橢圓的面積分別對(duì)應(yīng)1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。

要了解宇宙的過(guò)去和未來(lái)，關(guān)鍵線索在于希格斯勢(shì)。希格斯粒子自耦合實(shí)驗(yàn)會(huì)讓我們更準(zhǔn)確了解希格斯勢(shì)。

要進(jìn)行希格斯粒子自耦合實(shí)驗(yàn)，需要產(chǎn)生成對(duì)的希格斯粒子。在LHC中，產(chǎn)生1000個(gè)單個(gè)的希格斯粒子，才可能產(chǎn)生一組希格斯粒子對(duì)。自耦合實(shí)驗(yàn)難度極大。

LHC正在升級(jí)為高亮度大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（High Luminosity Large Hadron Collider，HL-LHC），但也只是將數(shù)據(jù)量提升了10倍，對(duì)于自耦合實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，誤差依然很大，但有可能產(chǎn)生某些相關(guān)的現(xiàn)象。

高能物理學(xué)界在力推多個(gè)更強(qiáng)大的對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目，如中國(guó)的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（Circular Electron Positron Collider，CEPC）、日本的國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)（International Linear Collider，ILC）、歐洲的未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)（Furture Circular Collider，F(xiàn)CC）和緊湊型直線對(duì)撞機(jī)（Compact Linear Collider，CLIC）等，這些對(duì)撞機(jī)只要有一座能建成，將能細(xì)致測(cè)量希格斯粒子與其他粒子的性質(zhì)，有可能發(fā)現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理的線索。

見(jiàn)證其中之一建成，最快也要等十年以上。

未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)選址和大小示意圖

這就是粒子物理，不僅需要聰明才智、金錢投入，還需要有耐心。

參考資料

https://www.sciencenews.org/article/higgs-boson-particle-physics-standard-model-discovery-anniversary

https://www.symmetrymagazine.org/article/five-mysteries-the-standard-model-cant-explain

https://www.symmetrymagazine.org/article/four-things-physicists-still-wonder-about-the-higgs-boson

https://www.quantamagazine.org/the-physics-still-hiding-in-the-higgs-boson-20190304/

https://home.cern/science/physics/higgs-boson/ten-years

https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.4.20220630b/full/

出品：科普中國(guó)

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