仍然隱藏于希格斯玻色子中的物理學(xué)

編譯 許林玉

自2012年發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子以來，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)還未發(fā)現(xiàn)新的粒子，但物理學(xué)家表示，人類仍然可以從希格斯粒子中了解很多東西。

2018年，歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（人類有史以來建造的最強(qiáng)大的粒子加速器）產(chǎn)生了希格斯玻色子和Z玻色子。圖中的兩個(gè)灰色錐體代表了從底部衰變的粒子和反底夸克的噴流，后者很可能從希格斯粒子衰變而來

2012年，粒子在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）27千米長的圓形隧道中相撞，產(chǎn)生了希格斯玻色子。希格斯玻色子是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)測(cè)的最后一個(gè)失蹤粒子，也是將數(shù)十年前的一組方程組合在一起的關(guān)鍵所在。

但在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上還沒有發(fā)現(xiàn)其他新的粒子，這為人類留下了許多標(biāo)準(zhǔn)模型無法解開的宇宙謎團(tuán)。一場(chǎng)關(guān)于是否要建造更強(qiáng)大的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的爭論隨之而來。擬在瑞士或中國建造的機(jī)器周長達(dá)100千米，旨在繼續(xù)探索新的物理學(xué)。

物理學(xué)家認(rèn)為，我們?nèi)匀豢梢詮南８袼共Ｉ又袑W(xué)到很多東西。目前獲得的信息是，這種粒子的存在證實(shí)了一個(gè)55年前提出的關(guān)于宇宙質(zhì)量起源的理論。憑借這一發(fā)現(xiàn)，彼得·希格斯（Peter Higgs）和弗朗索瓦·恩格勒（Fran?ois Englert）榮獲2013年諾貝爾獎(jiǎng)。與其他6位理論學(xué)家一起，他們?cè)?0世紀(jì)60年代提出了這種質(zhì)量生成機(jī)制，該機(jī)制涉及一個(gè)滲透到所有空間的場(chǎng)。希格斯粒子是希格斯場(chǎng)中的一個(gè)漣漪，或稱為量子漲落。由于量子力學(xué)將自然粒子和場(chǎng)纏結(jié)在一起，希格斯場(chǎng)的存在會(huì)擴(kuò)散到其他量子場(chǎng)，而正是因?yàn)檫@種耦合才賦予它們相關(guān)的粒子質(zhì)量。

但是，物理學(xué)家對(duì)無所不在的希格斯場(chǎng)，或者早期宇宙中的決定性時(shí)刻知之甚少，因?yàn)樗蝗粡臒o處不在的零值（或者換句話說，不存在）狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)前統(tǒng)一的非零值狀態(tài)。這種轉(zhuǎn)變，或者說“對(duì)稱性破壞”事件，立即使夸克、電子和許多其他基本粒子變大，進(jìn)而使它們形成宇宙中能夠看到的原子和所有其他結(jié)構(gòu)。

但是這是為什么呢？歐洲核子研究中心（CERN）粒子理論家米開朗琪羅·曼加諾（Michelangelo Mangano）說：“為什么宇宙要決定讓希格斯粒子遍布各地？這是一個(gè)大問題。”

物理學(xué)家想知道希格斯對(duì)稱性破壞事件是否在創(chuàng)造宇宙物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱性中發(fā)揮了作用。物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱性，即存在的物質(zhì)比反物質(zhì)多得多，是一個(gè)無法解釋的事實(shí)。另一個(gè)問題是，希格斯場(chǎng)的當(dāng)前值是穩(wěn)定的，還是可能突然再次發(fā)生變化——這一令人不安的可能性被稱為“真空衰變”。希格斯場(chǎng)的值可以被認(rèn)為是一個(gè)落在谷底的球，問題是，在定義場(chǎng)的可能值的數(shù)學(xué)曲線中，是否還有更深的谷？如果是這樣的話，這個(gè)球最終會(huì)通過隧道到達(dá)更低、更穩(wěn)定的谷，而這與希格斯能量的下降相對(duì)應(yīng)。一個(gè)更穩(wěn)定的“真正真空”的氣泡會(huì)不斷膨脹，吞噬我們一直生活其中的“虛假真空”，最終毀滅一切。

希格斯場(chǎng)不僅與宇宙的起源和命運(yùn)息息相關(guān)，而且希格斯粒子的行為也可以揭示與之相互作用的隱藏的或其他的未知粒子——也許正是這些粒子構(gòu)成了宇宙中缺失的暗物質(zhì)。在粒子對(duì)撞機(jī)中，當(dāng)粒子以接近光速的速度相撞時(shí)，它們的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，偶爾會(huì)形成像希格斯玻色子這樣的重粒子。然后，希格斯粒子迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌Ｗ?，例如變成一?duì)頂夸克或W玻色子。每種結(jié)果出現(xiàn)的概率取決于希格斯與每種類型粒子耦合的強(qiáng)度。如果精確地測(cè)量這些不同的希格斯粒子衰變的概率，并將這些數(shù)字與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)進(jìn)行比較，就可以發(fā)現(xiàn)是否存在缺失，因?yàn)檫@些概率之和必須等于1。

哈佛大學(xué)粒子物理學(xué)家梅麗莎·富蘭克林（Melissa Franklin）說：“我們對(duì)希格斯粒子研究得越透徹，就越有可能發(fā)現(xiàn)整個(gè)故事可能并非按照我們的預(yù)期發(fā)生，從而導(dǎo)致全新物理學(xué)的誕生。從實(shí)驗(yàn)的角度來看，我們只是想進(jìn)行大量研究，看看會(huì)發(fā)生什么。”

這也是她和她的許多同事想要制造一臺(tái)更大型、更強(qiáng)大的機(jī)器的原因之一。擬建中的超級(jí)對(duì)撞機(jī)的第一階段被戲稱為“希格斯工廠”，因?yàn)檫@臺(tái)機(jī)器將用精確調(diào)節(jié)的能量使電子和正電子相撞，以最大限度地增加產(chǎn)生希格斯玻色子的概率，并且可以詳細(xì)測(cè)量希格斯玻色子隨后發(fā)生的衰變。在第二階段，這臺(tái)巨大的機(jī)器會(huì)將質(zhì)子猛烈撞擊在一起，導(dǎo)致更混亂但能量更大的碰撞。

通過大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，物理學(xué)家可以對(duì)大部分希格斯玻色子與其他標(biāo)準(zhǔn)模型粒子的耦合進(jìn)行測(cè)量，精度約為20%，未來的對(duì)撞機(jī)可通過產(chǎn)生更多的希格斯玻色子將精度精確到1%。因此，物理學(xué)家將會(huì)更清楚地了解概率之和是否為1，或者希格斯玻色子偶爾會(huì)衰變成隱藏的粒子。與希格斯粒子耦合的其他粒子出現(xiàn)在許多超出標(biāo)準(zhǔn)模型的物理理論中，包括“雙希格斯”和“弛豫”模型。粒子物理學(xué)家馬特·斯特拉斯勒（Matt Strassler）說：“遺憾的是，模型和參數(shù)太多，不可能存在穩(wěn)贏不輸?shù)亩ɡ怼鼈兌贾皇强赡軇俪觥！?/p>

也許，物理學(xué)家們想要確定的最重要的耦合是三重希格斯耦合——本質(zhì)上是希格斯玻色子與自身相互作用的強(qiáng)度。這個(gè)數(shù)字是通過計(jì)算希格斯玻色子衰變?yōu)樽陨?個(gè)希格斯玻色子的罕見事件來測(cè)量的，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上尚未觀測(cè)到。標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)三重希格斯耦合的值進(jìn)行了預(yù)測(cè)，因此任何與這一預(yù)測(cè)相背離的測(cè)量結(jié)果都意味著影響希格斯玻色子的新粒子不包括在標(biāo)準(zhǔn)模型中。

測(cè)量三重希格斯耦合也將揭示定義希格斯場(chǎng)不同可能值的數(shù)學(xué)曲線的形狀，有助于確定宇宙真空是穩(wěn)定的還是亞穩(wěn)的——穩(wěn)定在曲線的局部而不是全局最小值上。如果標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)耦合的預(yù)測(cè)是正確的，那么宇宙是亞穩(wěn)態(tài)的，注定要在幾十億或幾萬億年后衰變。這沒什么好擔(dān)心的，但這是關(guān)于宇宙大故事的重要線索。匹茲堡大學(xué)粒子物理學(xué)家塞德里克·韋蘭德（Cédric Weiland）對(duì)三重希格斯耦合進(jìn)行了研究。他表示，揭示宇宙命運(yùn)的能力是三重希格斯耦合成為未來對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃核心的原因。

韋蘭德介紹說，通過希格斯工廠，物理學(xué)家可以測(cè)出三重希格斯耦合，精度達(dá)44%。第二階段的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)可以將數(shù)值控制在5%以內(nèi)。

對(duì)此，物理學(xué)家的基本預(yù)期是，未來對(duì)撞機(jī)的測(cè)量結(jié)果將簡單地證實(shí)標(biāo)準(zhǔn)模型（盡管它對(duì)物理宇宙的描述并不完整）。一些物理學(xué)家對(duì)投資數(shù)十億美元在一臺(tái)機(jī)器上的前景持懷疑態(tài)度，因?yàn)檫@臺(tái)機(jī)器可能只會(huì)給我們現(xiàn)有的一組方程增加精確小數(shù)的位數(shù)。

未來幾年，物理學(xué)家和資助機(jī)構(gòu)將積極討論更大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的價(jià)值。是否要花費(fèi)20年和數(shù)十億美元建造一臺(tái)周長100千米的對(duì)撞機(jī)取決于它的發(fā)現(xiàn)潛力。過去的對(duì)撞機(jī)一個(gè)接一個(gè)地碰撞出標(biāo)準(zhǔn)模型的拼圖，但隨著這個(gè)拼圖的完成，我們無法保證未來的機(jī)器能夠發(fā)現(xiàn)新的東西。這讓物理學(xué)家們左右為難：更大型的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是造還是不造呢？