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希格斯粒子发现之后,粒子物理学家还在期待什么?

十年前,2012年7月4日,欧洲核子研究中心(CERN)宣布发现希格斯粒子。这个俗称“上帝粒子”的基本物质对学术界和公众都产生了巨大影响——它最终的发现印证了60年前的理论预言,被认为填补了粒子物理标准模型最后一块空白;同时登上世界各地媒体的头条,宣告了基础物理学的又一次胜利。然而,标准模型的不完美使许多问题仍未有答案,十年间粒子物理学家并没有再次迎来这样的胜利,只是看到些许“裂痕”,他们还在期待希格斯粒子能给予更多的答案。

 

撰文 | 瞿立建
2012年7月4日,欧洲核子研究中心(CERN),粒子物理学家济济一堂,来听一次非同寻常的学术报告——发现希格斯粒子的实验结果的报告。实验结果在幻灯片上呈现出来时,会场掌声雷动,与会者兴奋的内心好像感受到了希格斯场,顿时沉甸甸的,为自身能参与创造这样的历史时刻而激动。
欧洲核子中心学术报告厅里科学家欢声雷动
现场之外,世界各地的粒子物理学家通过视频直播见证这一时刻。
德国电子加速器汉堡研究中心的物理学家在观看视频直播

美国费米实验室的物理学家,放弃独立日休假,午夜收看视频直播。对这一纯科学发现激动不已的不仅仅有科学家,还有普通公众。

 

公众反响

报告会之后,CERN召开新闻发布会,向公众披露这一纯物理新闻,各大报纸头版头条予以报道。其他传媒也涌向这个选题,出版社推出多种相关的科普书,多部位列畅销书榜,电视台邀请各路科学家走入演播室,向观众释疑解惑,多部相关纪录片在大小屏幕播放。
CERN收集的世界各大报对发现希格斯玻色子新闻的报道

 

希格斯玻色子成了当年最热门的公众话题,科学和科普交相辉映。次年,希格斯玻色子相关理论的两位提出者,英国物理学家希格斯(Peter Higgs)和比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒(François Englert),共同获得诺贝尔物理奖。再次将“上帝粒子”的盛宴推向大众。

为何有此等盛况?这与科学家和科普作家在多年前提早的“布局”和预热有很大关系。
早在1993年,诺贝尔奖得主利昂·莱德曼及其合著者出版了科普书《上帝粒子》(The God Particle),这本书让人谈到希格斯粒子言必称上帝粒子。

《上帝粒子》(The God Particle)第一版,1993年
《上帝粒子》中文版,2003年
还有另外一个事件激发了公众的想象力。

 

1993年,英国科学大臣征集面向公众的希格斯场和希格斯粒子最佳解释,奖励为一瓶香槟。最终伦敦大学学院的大卫·米勒教授赢得了这瓶香槟。米勒教授把希格斯场比作一群摩肩接踵的鸡尾酒会参加者,一个普通人可以轻松穿过人群,而一个大咖走来,会瞬间吸引人围过来,大咖穿过人群就会很费劲。希格斯场与粒子作用与之类似:粒子会吸引希格斯场过来,减慢自己的行进速度,减少得越多,代表希格斯场赋给该粒子的质量越大。
希格斯场可类比为鸡尾酒会参加者

 

这个类比可能会让普通人觉得自己也懂希格斯机制了。

但是,这些事情只能解释西方人对希格斯的热情,无法解释世界其他地方——比如中国——人们对发现希格斯粒子相关科学新闻的热情。毕竟《上帝粒子》的中文版也不是畅销书,鸡尾酒会上不撸串,更不会对“上帝”感兴趣。这说明一件事:公众对基础科学的好奇心和热情超出我们的刻板印象。

希格斯粒子研究在学界和公众里都迎来了高光时刻。相关研究是不是就此谢幕?
并不是。

对希格斯玻色子的研究就像寻宝,找到希格斯粒子知识就找到了宝藏,但还没有把宝物挖掘出来。过去十年里,粒子物理学家们仍然保持着最初的兴奋,进行着挖宝活动。粒子物理学家希望挖到的宝物是,能解决标准模型还不能给出标准答案的一些问题,比如暗物质是什么?物质为什么比反物质多?宇宙如何起源并走向何种命运?

标准模型中的粒子。紫色部分为夸克,夸克有6种味,每种味有3种色,每种夸克都有反夸克,总计36种夸克。绿色部分为轻子,轻子有6种味,没有色,有反粒子,总计12种轻子。图中夸克和轻子排成3列,每一列构成物质的一代。夸克和轻子右边一列是规范玻色子,其中胶子有8种色,没有反粒子,光子和Z玻色子各只有一种,W玻色子有反粒子,总计2种。最右边粒子是希格斯玻色子,只有1种。标准模型总计61种基本粒子

现在,我们看看,未来还会有什么大新闻。

 

耦合

希格斯粒子通过与粒子的相互作用——物理学家称为“耦合”来赋予其他粒子以质量,耦合强度不同,粒子也就有了不同的质量。比如目前为止,所有测量都与标准模型一致,这带给物理学家更多的不是安慰,而是疑惑。粒子为什么有它们各自那些质量?

标准模型里粒子的质量的值是物理学家精心赋予的,而不是从理论中推导出来的。粒子物理是一个很有“野心”的领域,要揭示世界最基本的运行法则,得到万事万物的理论。结果,重要的参数是精心挑选的,岂不是很讽刺?就像你要发展一个万有引力理论,苹果、天体、人各自满足不同的吸引力规则。这不是万有引力理论,这是独有引力理论。

以电子、陶子(tauon)、缪子(muon)为例,说说物理学家所疑惑的问题。

标准模型里,这三种粒子唯一的不同是质量不同,即它们与希格斯粒子的耦合强度不同。有些物理学家猜想,粒子还有更深层次的结构,对希格斯粒子与其他粒子的耦合做细致地测量,有望出现标准模型无法解释的结果,进而顺着此线索,发展出更基本的理论。

实验上测量耦合的方法是观察希格斯粒子的产生和衰变。

希格斯粒子被发现的时候就确定出希格斯粒子与其他玻色子的耦合。2016年,实验上确定出了希格斯子与陶子的耦合。这些实验都没有给出预期之外的结果。不过,希望还没有完全破灭。

2018年,物理学家在实验上做了顶夸克、反顶夸克与希格斯粒子的耦合。顶夸克是最重的基本粒子,与希格斯粒子耦合最强。偏离标准模型的显著现象更可能出现于此。遗憾的是,2018年的实验结果依然没有什么惊喜。
令人沮丧。

没有意外的结果,一个可能的原因是,实验结果误差还比较大,如果实验精度提高,也许就会发现不符合预期的现象。
但是,实验结果也使物理学家越来越觉得一个大胆的想法很靠谱:希格斯粒子可能不止一种,或可能有内部结构。

 

孤单粒子

粒子物理学家对于解决标准模型的缺点有一个特别看好的方案:超对称。在超对称理论中,每个粒子都有一个伙伴粒子。LHC开机之前,物理学家希望LHC能发现这样的伙伴粒子。然而,到目前为止,一无所获。超对称理论尽管还没有被完全排除,但留给它的希望不太多了。

超越标准模型的理论不止超对称,目前还看不出哪个理论最有希望胜出。物理学家希望测量希格斯粒子的性质,能揭示出标准模型之外的东西,为新物理指引方向。

物理学家正在探究的希格斯粒子的一个性质是,它是不是独一无二的。
希格斯粒子显得孤单
其他基本粒子都有自旋,而希格斯粒子自旋为零。自旋为零的玻色子称为“标量粒子”。

其他粒子都有近亲,希格斯玻色子是不是也应该有标量近亲?超对称理论,以及其他一些理论就预言,存在多种希格斯粒子。有粒子物理学家猜想,希格斯粒子可能只是我们发现的第一个标量粒子,也许存在一个标量粒子家族,等待我们去发现。

也有可能,希格斯粒子不是基本粒子,是由更基本的粒子组成的。有些粒子组合起来,可以组成零自旋的粒子,比如两个质子和两个中子组成的α粒子,由夸克粒子组成的π介子。

粒子物理里最近还有些令人困惑的实验结果可能与希格斯粒子的性质有关。

2021年,费米实验室报道的缪子磁性质的实验结果与标准模型预言不符。2022年4月,费米实验室报道称,W玻色子的质量大于标准模型的预言。

这些难题的答案,也许就隐藏在希格斯粒子中。它是标准模型中最晚发现的粒子,是研究最少的粒子,也是我们破解物质世界终极奥秘的希望所在。

 

自耦合

希格斯粒子与自身有没有相互作用,即会不会自耦合?

希格斯自耦合还未进行过实验测量。理论物理学家期待着相关测量,相信一定会带来新的物理。

希格斯自耦合与希格斯势密切相关。希格斯势是一个函数,描述希格斯场的能量。这个函数的图形像个卷檐帽,也称墨西哥帽。

希格斯势的图形像墨西哥帽。在宇宙早期,宇宙处于帽顶处,之后宇宙会慢慢演化到帽檐的沟里,在这个过程中,各基本粒子获得了质量。

在宇宙早期,刚产生希格斯场的时候,希格斯势决定了基本粒子如何获得质量。对粒子如何从没有质量变得有质量的研究,这有助于理解宇宙中物质为何多于反物质。宇宙诞生早期,希格斯场扮演了什么样的角色,答案在希格斯势里。

根据标准模型,由希格斯粒子和顶夸克的质量,可以确定出希格斯势的一级近似结果。从目前的结果看,几十亿年前,宇宙进入了希格斯势一个局域极小值点,而非全局极小值点,意思是宇宙是亚稳态的;未来宇宙会进入另一更小的极小值点,即发生相变,基本粒子质量随之而变,我们现在所熟悉的宇宙会面目全非。

不过,现在还不必悲观,有些超越标准模型的理论预言了一些粒子及其相互作用,让希格斯场呈现另外的面貌,挽救宇宙的命运。

标准模型得到的宇宙的稳定性,中间黑点为当前的测量结果,三个椭圆的面积分别对应1个、2个、3个标准差。

要了解宇宙的过去和未来,关键线索在于希格斯势。希格斯粒子自耦合实验会让我们更准确了解希格斯势。

要进行希格斯粒子自耦合实验,需要产生成对的希格斯粒子。在LHC中,产生1000个单个的希格斯粒子,才可能产生一组希格斯粒子对。自耦合实验难度极大。

LHC正在升级为高亮度大型强子对撞机(High Luminosity Large Hadron Collider,HL-LHC),但也只是将数据量提升了10倍,对于自耦合实验来说,误差依然很大,但有可能产生某些相关的现象。

高能物理学界在力推多个更强大的对撞机项目,如中国的环形正负电子对撞机(Circular Electron Positron Collider,CEPC)、日本的国际直线对撞机(International Linear Collider,ILC)、欧洲的未来环形对撞机(Furture Circular Collider,FCC)和紧凑型直线对撞机(Compact Linear Collider,CLIC)等,这些对撞机只要有一座能建成,将能细致测量希格斯粒子与其他粒子的性质,有可能发现超出标准模型的新物理的线索。

见证其中之一建成,最快也要等十年以上。
未来环形对撞机选址和大小示意图

 

这就是粒子物理,不仅需要聪明才智、金钱投入,还需要有耐心。
 

参考资料

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:科普中国

 



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