仍然隱藏于希格斯玻色子中的物理學

編譯 許林玉

自2012年發現希格斯玻色子以來，大型強子對撞機還未發現新的粒子，但物理學家表示，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子對撞機（人類有史以來建造的最強大的粒子加速器）產生了希格斯玻色子和Z玻色子。圖中的兩個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，粒子在大型強子對撞機（LHC）27千米長的圓形隧道中相撞，產生了希格斯玻色子。希格斯玻色子是粒子物理學標準模型所預測的最后一個失蹤粒子，也是將數十年前的一組方程組合在一起的關鍵所在。

但在大型強子對撞機上還沒有發現其他新的粒子，這為人類留下了許多標準模型無法解開的宇宙謎團。一場關于是否要建造更強大的大型強子對撞機的爭論隨之而來。擬在瑞士或中國建造的機器周長達100千米，旨在繼續探索新的物理學。

物理學家認為，我們仍然可以從希格斯玻色子中學到很多東西。目前獲得的信息是，這種粒子的存在證實了一個55年前提出的關于宇宙質量起源的理論。憑借這一發現，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。與其他6位理論學家一起，他們在20世紀60年代提出了這種質量生成機制，該機制涉及一個滲透到所有空間的場。希格斯粒子是希格斯場中的一個漣漪，或稱為量子漲落。由于量子力學將自然粒子和場纏結在一起，希格斯場的存在會擴散到其他量子場，而正是因為這種耦合才賦予它們相關的粒子質量。

但是，物理學家對無所不在的希格斯場，或者早期宇宙中的決定性時刻知之甚少，因為它突然從無處不在的零值（或者換句話說，不存在）狀態轉變為當前統一的非零值狀態。這種轉變，或者說“對稱性破壞”事件，立即使夸克、電子和許多其他基本粒子變大，進而使它們形成宇宙中能夠看到的原子和所有其他結構。

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？這是一個大問題。”

物理學家想知道希格斯對稱性破壞事件是否在創造宇宙物質-反物質不對稱性中發揮了作用。物質-反物質不對稱性，即存在的物質比反物質多得多，是一個無法解釋的事實。另一個問題是，希格斯場的當前值是穩定的，還是可能突然再次發生變化——這一令人不安的可能性被稱為“真空衰變”。希格斯場的值可以被認為是一個落在谷底的球，問題是，在定義場的可能值的數學曲線中，是否還有更深的谷？如果是這樣的話，這個球最終會通過隧道到達更低、更穩定的谷，而這與希格斯能量的下降相對應。一個更穩定的“真正真空”的氣泡會不斷膨脹，吞噬我們一直生活其中的“虛假真空”，最終毀滅一切。

希格斯場不僅與宇宙的起源和命運息息相關，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成了宇宙中缺失的暗物質。在粒子對撞機中，當粒子以接近光速的速度相撞時，它們的動能轉化為物質，偶爾會形成像希格斯玻色子這樣的重粒子。然后，希格斯粒子迅速轉變為其他粒子，例如變成一對頂夸克或W玻色子。每種結果出現的概率取決于希格斯與每種類型粒子耦合的強度。如果精確地測量這些不同的希格斯粒子衰變的概率，并將這些數字與標準模型預測進行比較，就可以發現是否存在缺失，因為這些概率之和必須等于1。

哈佛大學粒子物理學家梅麗莎·富蘭克林（Melissa Franklin）說：“我們對希格斯粒子研究得越透徹，就越有可能發現整個故事可能并非按照我們的預期發生，從而導致全新物理學的誕生。從實驗的角度來看，我們只是想進行大量研究，看看會發生什么。”

這也是她和她的許多同事想要制造一臺更大型、更強大的機器的原因之一。擬建中的超級對撞機的第一階段被戲稱為“希格斯工廠”，因為這臺機器將用精確調節的能量使電子和正電子相撞，以最大限度地增加產生希格斯玻色子的概率，并且可以詳細測量希格斯玻色子隨后發生的衰變。在第二階段，這臺巨大的機器會將質子猛烈撞擊在一起，導致更混亂但能量更大的碰撞。

通過大型強子對撞機，物理學家可以對大部分希格斯玻色子與其他標準模型粒子的耦合進行測量，精度約為20%，未來的對撞機可通過產生更多的希格斯玻色子將精度精確到1%。因此，物理學家將會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衰變成隱藏的粒子。與希格斯粒子耦合的其他粒子出現在許多超出標準模型的物理理論中，包括“雙希格斯”和“弛豫”模型。粒子物理學家馬特·斯特拉斯勒（Matt Strassler）說：“遺憾的是，模型和參數太多，不可能存在穩贏不輸的定理——它們都只是可能勝出。”

也許，物理學家們想要確定的最重要的耦合是三重希格斯耦合——本質上是希格斯玻色子與自身相互作用的強度。這個數字是通過計算希格斯玻色子衰變為自身2個希格斯玻色子的罕見事件來測量的，在大型強子對撞機上尚未觀測到。標準模型對三重希格斯耦合的值進行了預測，因此任何與這一預測相背離的測量結果都意味著影響希格斯玻色子的新粒子不包括在標準模型中。

測量三重希格斯耦合也將揭示定義希格斯場不同可能值的數學曲線的形狀，有助于確定宇宙真空是穩定的還是亞穩的——穩定在曲線的局部而不是全局最小值上。如果標準模型對耦合的預測是正確的，那么宇宙是亞穩態的，注定要在幾十億或幾萬億年后衰變。這沒什么好擔心的，但這是關于宇宙大故事的重要線索。匹茲堡大學粒子物理學家塞德里克·韋蘭德（Cédric Weiland）對三重希格斯耦合進行了研究。他表示，揭示宇宙命運的能力是三重希格斯耦合成為未來對撞機實驗計劃核心的原因。

韋蘭德介紹說，通過希格斯工廠，物理學家可以測出三重希格斯耦合，精度達44%。第二階段的質子對撞機可以將數值控制在5%以內。

對此，物理學家的基本預期是，未來對撞機的測量結果將簡單地證實標準模型（盡管它對物理宇宙的描述并不完整）。一些物理學家對投資數十億美元在一臺機器上的前景持懷疑態度，因為這臺機器可能只會給我們現有的一組方程增加精確小數的位數。

未來幾年，物理學家和資助機構將積極討論更大型強子對撞機的價值。是否要花費20年和數十億美元建造一臺周長100千米的對撞機取決于它的發現潛力。過去的對撞機一個接一個地碰撞出標準模型的拼圖，但隨著這個拼圖的完成，我們無法保證未來的機器能夠發現新的東西。這讓物理學家們左右為難：更大型的強子對撞機是造還是不造呢？