“上帝粒子”發(fā)現(xiàn)十周年：已知的和未知的

2012年7月4日，歐洲核子中心（CERN）宣布找到了一直在尋覓的希格斯玻色子。這種遁形粒子的最終發(fā)現(xiàn)填補了標(biāo)準(zhǔn)模型最后一個空白，同時也為我們了解希格斯場提供了新的窗口，讓科學(xué)家可以進一步認(rèn)識之前未被研究的一種能賦予粒子質(zhì)量的相互作用。

10年間，CERN的大型強子對撞機（LHC）團隊先后發(fā)表了近350篇關(guān)于希格斯玻色子的科研論文，但它所代表的宇宙奧秘還遠(yuǎn)沒有被完全揭開。

科學(xué)家已知的5件事

希格斯玻色子的質(zhì)量為125千兆電子伏特 LHC在2009年開始為了尋找希格斯粒子收集數(shù)據(jù)，而LHC的通用探測器ATLAS和CMS在2012年同時發(fā)現(xiàn)了它。這兩個探測器觀測到了十幾個希格斯玻色子衰變成光子、W玻色子和Z玻色子，同時有一個信號出現(xiàn)在了125千兆電子伏特（GeV）的位置——這一質(zhì)量約為質(zhì)子的125倍。

125 GeV的質(zhì)量讓希格斯玻色子處于一個最佳區(qū)間，這意味著該玻色子衰變成各種粒子的頻率足夠高，能被LHC實驗檢測到。

希格斯玻色子是一種自旋為零的粒子 在量子力學(xué)上，自旋是粒子的一種內(nèi)稟屬性，就像粒子內(nèi)部的條形磁鐵。其他已知的基本粒子自旋為1/2或1，但根據(jù)理論，與眾不同的希格斯粒子自旋為零。

2013年，CERN通過實驗研究了希格斯玻色子衰變產(chǎn)生的光子會從什么角度進入探測器，并利用這一信息證明了希格斯粒子自旋為零的概率很大。

希格斯粒子的屬性推翻了標(biāo)準(zhǔn)模型的一些擴展理論 物理學(xué)家承認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)模型并不完備，比如它在高能條件下并不成立，也無法解釋一些重要的觀測結(jié)果，比如暗物質(zhì)的存在或是宇宙中反物質(zhì)為何那么少。為了解釋這些現(xiàn)象，物理學(xué)家對標(biāo)準(zhǔn)模型進行了擴展。

希格斯玻色子與其他粒子的相互作用與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測一致 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型的理論，一個粒子的質(zhì)量取決于它與希格斯場的相互作用強度。雖然希格斯粒子——就像希格斯場中的漣漪——在這個過程中不起任何作用，但希格斯玻色子衰變成其他特定粒子的速度或是這種粒子產(chǎn)生希格斯玻色子的速度，可作為衡量該粒子與希格斯場相互作用強度的指標(biāo)。LHC的實驗已經(jīng)證實，至少對于希格斯粒子衰變中產(chǎn)生頻率最高的那些最重的粒子來說，它們的質(zhì)量與希格斯場的作用強度是成比例的——這一發(fā)現(xiàn)對于一個提出已有60年的理論來說無疑是一次重大勝利。

宇宙是穩(wěn)定的——但程度只是剛剛好 基于希格斯玻色子的質(zhì)量展開的計算發(fā)現(xiàn)，宇宙可能只是暫時穩(wěn)定，仍有非常小的概率會進入更低的能量狀態(tài)，造成不堪設(shè)想的后果。

和其他已知場不同，希格斯場即使在真空中，最低能量態(tài)也高于零，而且它滲透了整個宇宙。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型的理論，這種“基態(tài)”取決于粒子如何與希格斯場交互作用。就在物理學(xué)家得到希格斯玻色子的質(zhì)量后不久，理論學(xué)家就用這個值（和其他測量值）預(yù)測到還有一個更低、更穩(wěn)定的能量態(tài)。

進入這一種狀態(tài)需要突破巨大的能量壁壘，而且這種情況發(fā)生的概率很小，以至于不太可能在這個宇宙的生命周期里發(fā)生。

科學(xué)家還想知道的5件事

對希格斯粒子的測量結(jié)果還能更精確嗎 目前為止，希格斯玻色子的屬性，如相互作用強度與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測一致，但不確定度在10%左右。這還不足以揭示新的物理理論與標(biāo)準(zhǔn)模型之間非常小的預(yù)測差異。

更多數(shù)據(jù)能提高這類測量值的精度，LHC現(xiàn)在收集到的數(shù)據(jù)只占其目標(biāo)的1/20。在精確研究中發(fā)現(xiàn)提示新現(xiàn)象的信號，比直接觀測到新粒子的可能性更大。至少在下一個10年里，精準(zhǔn)才是最重要的。

希格斯粒子會和更輕的粒子相互作用嗎 目前來看，希格斯玻色子的相互作用似乎符合標(biāo)準(zhǔn)模型的理論，但物理學(xué)家迄今只看到它衰變成一些最重的物質(zhì)粒子，如底夸克等?，F(xiàn)在，物理學(xué)家想要知道希格斯粒子是否會和來自更輕粒子家族（也稱世代）的粒子發(fā)生同樣的相互作用。2020年，CMS和ATLAS發(fā)現(xiàn)了這種相互作用——一個希格斯粒子罕見衰變成了電子的第二代表親μ子。雖然這說明質(zhì)量與相互作用強度的關(guān)系對于更輕的粒子也同樣適用，但物理學(xué)家加以證實還需要更多數(shù)據(jù)。

希格斯粒子會自相互作用嗎 既然希格斯玻色子有質(zhì)量，那它就會和自己相互作用。但這種相互作用非常罕見，比如高能希格斯粒子衰變成兩個能量較低的粒子，因為參與其中的粒子都太重了。ATLAS和CMS希望LHC在2026年升級換代后，能捕捉到顯示這種相互作用存在的信號，但獲得決定性的證據(jù)可能需要一臺更強大的對撞機。

這種自相互作用的速度是我們理解宇宙的關(guān)鍵。自相互作用的概率由希格斯場的勢能在接近其最小值時的變化決定，這也是大爆炸剛結(jié)束時的狀態(tài)。因此，了解希格斯粒子自相互作用或能幫助科學(xué)家理解早期宇宙的動力學(xué)變化。

希格斯玻色子的壽命是多少 物理學(xué)家想知道希格斯粒子的壽命有多長，也就是它在衰變成其他粒子前平均能存在多久，因為與預(yù)測值的任何偏差都可能預(yù)示它與未知粒子的交互作用，比如組成暗物質(zhì)的粒子。但希格斯粒子的壽命太短，無法直接測量。

如果要間接測量，物理學(xué)家就要觀察該粒子的能量在多個測量值的分布，或稱“寬度”。去年，物理學(xué)家得到了對希格斯粒子壽命的首個粗略測量值：2.1×10-22秒。該結(jié)果顯示，其壽命與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測是一致的。

有任何新奇的預(yù)測被證實了嗎 標(biāo)準(zhǔn)模型的一些擴展理論預(yù)言，希格斯玻色子并不是基本粒子，而是和質(zhì)子一樣，由其他粒子組成的。還有理論認(rèn)為，希格斯玻色子有好幾種，這些粒子行為上相似但在電荷或自旋上稍有不同。除了驗證希格斯粒子是否是標(biāo)準(zhǔn)模型粒子之外，LHC實驗還將對其他理論預(yù)測的粒子屬性進行驗證，包括是否會衰變成不可能出現(xiàn)的粒子組合。