【創(chuàng)作培育計劃】希格斯粒子發(fā)現之后，粒子物理學家還在期待什么？

十年前，2012年7月4日，歐洲核子研究中心（CERN）宣布發(fā)現希格斯粒子。這個俗稱“上帝粒子”的基本物質對學術界和公眾都產生了巨大影響——它最終的發(fā)現印證了60年前的理論預言，被認為填補了粒子物理標準模型最后一塊空白；同時登上世界各地媒體的頭條，宣告了基礎物理學的又一次勝利。然而，標準模型的不完美使許多問題仍未有答案，十年間粒子物理學家并沒有再次迎來這樣的勝利，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），粒子物理學家濟濟一堂，來聽一次非同尋常的學術報告——發(fā)現希格斯粒子的實驗結果的報告。實驗結果在幻燈片上呈現出來時，會場掌聲雷動，與會者興奮的內心好像感受到了希格斯場，頓時沉甸甸的，為自身能參與創(chuàng)造這樣的歷史時刻而激動。

歐洲核子中心學術報告廳里科學家歡聲雷動

現場之外，世界各地的粒子物理學家通過視頻直播見證這一時刻。

美國費米實驗室的物理學家，放棄獨立日休假，午夜收看視頻直播。

對這一純科學發(fā)現激動不已的不僅僅有科學家，還有普通公眾。

公眾反響

報告會之后，CERN召開新聞發(fā)布會，向公眾披露這一純物理新聞，各大報紙頭版頭條予以報道。其他傳媒也涌向這個選題，出版社推出多種相關的科普書，多部位列暢銷書榜，電視臺邀請各路科學家走入演播室，向觀眾釋疑解惑，多部相關紀錄片在大小屏幕播放。

CERN收集的世界各大報對發(fā)現希格斯玻色子新聞的報道

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

為何有此等盛況？這與科學家和科普作家在多年前提早的“布局”和預熱有很大關系。

早在1993年，諾貝爾獎得主利昂·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

還有另外一個事件激發(fā)了公眾的想象力。

1993年，英國科學大臣征集面向公眾的希格斯場和希格斯粒子最佳解釋，獎勵為一瓶香檳。最終倫敦大學學院的大衛(wèi)·米勒教授贏得了這瓶香檳。米勒教授把希格斯場比作一群摩肩接踵的雞尾酒會參加者，一個普通人可以輕松穿過人群，而一個大咖走來，會瞬間吸引人圍過來，大咖穿過人群就會很費勁。希格斯場與粒子作用與之類似：粒子會吸引希格斯場過來，減慢自己的行進速度，減少得越多，代表希格斯場賦給該粒子的質量越大。

希格斯場可類比為雞尾酒會參加者

這個類比可能會讓普通人覺得自己也懂希格斯機制了。

但是，這些事情只能解釋西方人對希格斯的熱情，無法解釋世界其他地方——比如中國——人們對發(fā)現希格斯粒子相關科學新聞的熱情。畢竟《上帝粒子》的中文版也不是暢銷書，雞尾酒會上不擼串，更不會對“上帝”感興趣。這說明一件事：公眾對基礎科學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界和公眾里都迎來了高光時刻。相關研究是不是就此謝幕？

并不是。

對希格斯玻色子的研究就像尋寶，找到希格斯粒子知識就找到了寶藏，但還沒有把寶物挖掘出來。過去十年里，粒子物理學家們仍然保持著最初的興奮，進行著挖寶活動。粒子物理學家希望挖到的寶物是，能解決標準模型還不能給出標準答案的一些問題，比如暗物質是什么？物質為什么比反物質多？宇宙如何起源并走向何種命運？

標準模型中的粒子。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36種夸克。綠色部分為輕子，輕子有6種味，沒有色，有反粒子，總計12種輕子。圖中夸克和輕子排成3列，每一列構成物質的一代?？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2種。最右邊粒子是希格斯玻色子，只有1種。標準模型總計61種基本粒子

現在，我們看看，未來還會有什么大新聞。

耦合

希格斯粒子通過與粒子的相互作用——物理學家稱為“耦合”來賦予其他粒子以質量，耦合強度不同，粒子也就有了不同的質量。比如目前為止，所有測量都與標準模型一致，這帶給物理學家更多的不是安慰，而是疑惑。粒子為什么有它們各自那些質量？

標準模型里粒子的質量的值是物理學家精心賦予的，而不是從理論中推導出來的。粒子物理是一個很有“野心”的領域，要揭示世界最基本的運行法則，得到萬事萬物的理論。結果，重要的參數是精心挑選的，豈不是很諷刺？就像你要發(fā)展一個萬有引力理論，蘋果、天體、人各自滿足不同的吸引力規(guī)則。這不是萬有引力理論，這是獨有引力理論。

以電子、陶子（tauon）、繆子（muon）為例，說說物理學家所疑惑的問題。

標準模型里，這三種粒子唯一的不同是質量不同，即它們與希格斯粒子的耦合強度不同。有些物理學家猜想，粒子還有更深層次的結構，對希格斯粒子與其他粒子的耦合做細致地測量，有望出現標準模型無法解釋的結果，進而順著此線索，發(fā)展出更基本的理論。

實驗上測量耦合的方法是觀察希格斯粒子的產生和衰變。

希格斯粒子被發(fā)現的時候就確定出希格斯粒子與其他玻色子的耦合。2016年，實驗上確定出了希格斯子與陶子的耦合。這些實驗都沒有給出預期之外的結果。
不過，希望還沒有完全破滅。

2018年，物理學家在實驗上做了頂夸克、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。偏離標準模型的顯著現象更可能出現于此。遺憾的是，2018年的實驗結果依然沒有什么驚喜。

令人沮喪。

沒有意外的結果，一個可能的原因是，實驗結果誤差還比較大，如果實驗精度提高，也許就會發(fā)現不符合預期的現象。

但是，實驗結果也使物理學家越來越覺得一個大膽的想法很靠譜：希格斯粒子可能不止一種，或可能有內部結構。

孤單粒子

粒子物理學家對于解決標準模型的缺點有一個特別看好的方案：超對稱。在超對稱理論中，每個粒子都有一個伙伴粒子。LHC開機之前，物理學家希望LHC能發(fā)現這樣的伙伴粒子。然而，到目前為止，一無所獲。超對稱理論盡管還沒有被完全排除，但留給它的希望不太多了。

超越標準模型的理論不止超對稱，目前還看不出哪個理論最有希望勝出。物理學家希望測量希格斯粒子的性質，能揭示出標準模型之外的東西，為新物理指引方向。

物理學家正在探究的希格斯粒子的一個性質是，它是不是獨一無二的。

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“標量粒子”。

其他粒子都有近親，希格斯玻色子是不是也應該有標量近親？超對稱理論，以及其他一些理論就預言，存在多種希格斯粒子。有粒子物理學家猜想，希格斯粒子可能只是我們發(fā)現的第一個標量粒子，也許存在一個標量粒子家族，等待我們去發(fā)現。

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，可以組成零自旋的粒子，比如兩個質子和兩個中子組成的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驗結果可能與希格斯粒子的性質有關。

2021年，費米實驗室報道的繆子磁性質的實驗結果與標準模型預言不符。2022年4月，費米實驗室報道稱，W玻色子的質量大于標準模型的預言。

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

自耦合

希格斯粒子與自身有沒有相互作用，即會不會自耦合？

希格斯自耦合還未進行過實驗測量。理論物理學家期待著相關測量，相信一定會帶來新的物理。

希格斯自耦合與希格斯勢密切相關。希格斯勢是一個函數，描述希格斯場的能量。這個函數的圖形像個卷檐帽，也稱墨西哥帽。

希格斯勢的圖形像墨西哥帽。在宇宙早期，宇宙處于帽頂處，之后宇宙會慢慢演化到帽檐的溝里，在這個過程中，各基本粒子獲得了質量。

在宇宙早期，剛產生希格斯場的時候，希格斯勢決定了基本粒子如何獲得質量。對粒子如何從沒有質量變得有質量的研究，這有助于理解宇宙中物質為何多于反物質。

宇宙誕生早期，希格斯場扮演了什么樣的角色，答案在希格斯勢里。

根據標準模型，由希格斯粒子和頂夸克的質量，可以確定出希格斯勢的一級近似結果。從目前的結果看，幾十億年前，宇宙進入了希格斯勢一個局域極小值點，而非全局極小值點，意思是宇宙是亞穩(wěn)態(tài)的；未來宇宙會進入另一更小的極小值點，即發(fā)生相變，基本粒子質量隨之而變，我們現在所熟悉的宇宙會面目全非。

不過，現在還不必悲觀，有些超越標準模型的理論預言了一些粒子及其相互作用，讓希格斯場呈現另外的面貌，挽救宇宙的命運。

標準模型得到的宇宙的穩(wěn)定性，中間黑點為當前的測量結果，三個橢圓的面積分別對應1個、2個、3個標準差。

要了解宇宙的過去和未來，關鍵線索在于希格斯勢。希格斯粒子自耦合實驗會讓我們更準確了解希格斯勢。

要進行希格斯粒子自耦合實驗，需要產生成對的希格斯粒子。在LHC中，產生1000個單個的希格斯粒子，才可能產生一組希格斯粒子對。自耦合實驗難度極大。

LHC正在升級為高亮度大型強子對撞機（High Luminosity Large Hadron Collider，HL-LHC），但也只是將數據量提升了10倍，對于自耦合實驗來說，誤差依然很大，但有可能產生某些相關的現象。

高能物理學界在力推多個更強大的對撞機項目，如中國的環(huán)形正負電子對撞機（Circular Electron Positron Collider，CEPC）、日本的國際直線對撞機（International Linear Collider，ILC）、歐洲的未來環(huán)形對撞機（Furture Circular Collider，FCC）和緊湊型直線對撞機（Compact Linear Collider，CLIC）等，這些對撞機只要有一座能建成，將能細致測量希格斯粒子與其他粒子的性質，有可能發(fā)現超出標準模型的新物理的線索。

見證其中之一建成，最快也要等十年以上。

未來環(huán)形對撞機選址和大小示意圖

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：科普中國創(chuàng)作培育計劃