仍然隐藏于希格斯玻色子中的物理学

编译 许林玉

自2012年发现希格斯玻色子以来，大型强子对撞机还未发现新的粒子，但物理学家表示，人类仍然可以从希格斯粒子中了解很多东西。

2018年，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（人类有史以来建造的最强大的粒子加速器）产生了希格斯玻色子和Z玻色子。图中的两个灰色锥体代表了从底部衰变的粒子和反底夸克的喷流，后者很可能从希格斯粒子衰变而来

2012年，粒子在大型强子对撞机（LHC）27千米长的圆形隧道中相撞，产生了希格斯玻色子。希格斯玻色子是粒子物理学标准模型所预测的最后一个失踪粒子，也是将数十年前的一组方程组合在一起的关键所在。

但在大型强子对撞机上还没有发现其他新的粒子，这为人类留下了许多标准模型无法解开的宇宙谜团。一场关于是否要建造更强大的大型强子对撞机的争论随之而来。拟在瑞士或中国建造的机器周长达100千米，旨在继续探索新的物理学。

物理学家认为，我们仍然可以从希格斯玻色子中学到很多东西。目前获得的信息是，这种粒子的存在证实了一个55年前提出的关于宇宙质量起源的理论。凭借这一发现，彼得·希格斯（Peter Higgs）和弗朗索瓦·恩格勒（François Englert）荣获2013年诺贝尔奖。与其他6位理论学家一起，他们在20世纪60年代提出了这种质量生成机制，该机制涉及一个渗透到所有空间的场。希格斯粒子是希格斯场中的一个涟漪，或称为量子涨落。由于量子力学将自然粒子和场缠结在一起，希格斯场的存在会扩散到其他量子场，而正是因为这种耦合才赋予它们相关的粒子质量。

但是，物理学家对无所不在的希格斯场，或者早期宇宙中的决定性时刻知之甚少，因为它突然从无处不在的零值（或者换句话说，不存在）状态转变为当前统一的非零值状态。这种转变，或者说“对称性破坏”事件，立即使夸克、电子和许多其他基本粒子变大，进而使它们形成宇宙中能够看到的原子和所有其他结构。

但是这是为什么呢？欧洲核子研究中心（CERN）粒子理论家米开朗琪罗·曼加诺（Michelangelo Mangano）说：“为什么宇宙要决定让希格斯粒子遍布各地？这是一个大问题。”

物理学家想知道希格斯对称性破坏事件是否在创造宇宙物质-反物质不对称性中发挥了作用。物质-反物质不对称性，即存在的物质比反物质多得多，是一个无法解释的事实。另一个问题是，希格斯场的当前值是稳定的，还是可能突然再次发生变化——这一令人不安的可能性被称为“真空衰变”。希格斯场的值可以被认为是一个落在谷底的球，问题是，在定义场的可能值的数学曲线中，是否还有更深的谷？如果是这样的话，这个球最终会通过隧道到达更低、更稳定的谷，而这与希格斯能量的下降相对应。一个更稳定的“真正真空”的气泡会不断膨胀，吞噬我们一直生活其中的“虚假真空”，最终毁灭一切。

希格斯场不仅与宇宙的起源和命运息息相关，而且希格斯粒子的行为也可以揭示与之相互作用的隐藏的或其他的未知粒子——也许正是这些粒子构成了宇宙中缺失的暗物质。在粒子对撞机中，当粒子以接近光速的速度相撞时，它们的动能转化为物质，偶尔会形成像希格斯玻色子这样的重粒子。然后，希格斯粒子迅速转变为其他粒子，例如变成一对顶夸克或W玻色子。每种结果出现的概率取决于希格斯与每种类型粒子耦合的强度。如果精确地测量这些不同的希格斯粒子衰变的概率，并将这些数字与标准模型预测进行比较，就可以发现是否存在缺失，因为这些概率之和必须等于1。

哈佛大学粒子物理学家梅丽莎·富兰克林（Melissa Franklin）说：“我们对希格斯粒子研究得越透彻，就越有可能发现整个故事可能并非按照我们的预期发生，从而导致全新物理学的诞生。从实验的角度来看，我们只是想进行大量研究，看看会发生什么。”

这也是她和她的许多同事想要制造一台更大型、更强大的机器的原因之一。拟建中的超级对撞机的第一阶段被戏称为“希格斯工厂”，因为这台机器将用精确调节的能量使电子和正电子相撞，以最大限度地增加产生希格斯玻色子的概率，并且可以详细测量希格斯玻色子随后发生的衰变。在第二阶段，这台巨大的机器会将质子猛烈撞击在一起，导致更混乱但能量更大的碰撞。

通过大型强子对撞机，物理学家可以对大部分希格斯玻色子与其他标准模型粒子的耦合进行测量，精度约为20%，未来的对撞机可通过产生更多的希格斯玻色子将精度精确到1%。因此，物理学家将会更清楚地了解概率之和是否为1，或者希格斯玻色子偶尔会衰变成隐藏的粒子。与希格斯粒子耦合的其他粒子出现在许多超出标准模型的物理理论中，包括“双希格斯”和“弛豫”模型。粒子物理学家马特·斯特拉斯勒（Matt Strassler）说：“遗憾的是，模型和参数太多，不可能存在稳赢不输的定理——它们都只是可能胜出。”

也许，物理学家们想要确定的最重要的耦合是三重希格斯耦合——本质上是希格斯玻色子与自身相互作用的强度。这个数字是通过计算希格斯玻色子衰变为自身2个希格斯玻色子的罕见事件来测量的，在大型强子对撞机上尚未观测到。标准模型对三重希格斯耦合的值进行了预测，因此任何与这一预测相背离的测量结果都意味着影响希格斯玻色子的新粒子不包括在标准模型中。

测量三重希格斯耦合也将揭示定义希格斯场不同可能值的数学曲线的形状，有助于确定宇宙真空是稳定的还是亚稳的——稳定在曲线的局部而不是全局最小值上。如果标准模型对耦合的预测是正确的，那么宇宙是亚稳态的，注定要在几十亿或几万亿年后衰变。这没什么好担心的，但这是关于宇宙大故事的重要线索。匹兹堡大学粒子物理学家塞德里克·韦兰德（Cédric Weiland）对三重希格斯耦合进行了研究。他表示，揭示宇宙命运的能力是三重希格斯耦合成为未来对撞机实验计划核心的原因。

韦兰德介绍说，通过希格斯工厂，物理学家可以测出三重希格斯耦合，精度达44%。第二阶段的质子对撞机可以将数值控制在5%以内。

对此，物理学家的基本预期是，未来对撞机的测量结果将简单地证实标准模型（尽管它对物理宇宙的描述并不完整）。一些物理学家对投资数十亿美元在一台机器上的前景持怀疑态度，因为这台机器可能只会给我们现有的一组方程增加精确小数的位数。

未来几年，物理学家和资助机构将积极讨论更大型强子对撞机的价值。是否要花费20年和数十亿美元建造一台周长100千米的对撞机取决于它的发现潜力。过去的对撞机一个接一个地碰撞出标准模型的拼图，但随着这个拼图的完成，我们无法保证未来的机器能够发现新的东西。这让物理学家们左右为难：更大型的强子对撞机是造还是不造呢？