希格斯玻色子，一種標準模型之外能解鎖新物理現(xiàn)象的粒子

希格斯玻色子解鎖新物理學

希格斯玻色子：在它被發(fā)現(xiàn)的十年后，為什么這種粒子能解鎖超出標準模型的新物理現(xiàn)象？

十年前，科學家宣布發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，這有助于解釋為什么基本粒子(自然界最小的組成部分)具有質(zhì)量。

發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的新聞發(fā)布會

（圖片來源：Cern）

這篇文章初次被發(fā)表在The Conversation網(wǎng)站上。該刊為 Space.com的專家之聲：觀點與見解欄目提供了這篇文章。Martin Bauer，杜倫大學物理學副教授;Stephen Jones,杜倫大學物理學副教授

十年前，科學家宣布發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，這有助于解釋為什么基本粒子(自然界最小的組成部分)具有質(zhì)量。對于粒子物理學家來說，這意味著長達數(shù)十年且極為艱難的旅程終于結(jié)束，可以說是該領(lǐng)域歷史上最重要的成果。這一終結(jié)也標志著實驗物理學新時代的開始。

在過去的十年中，對希格斯玻色子性質(zhì)的測量證實了粒子物理學標準模型(我們關(guān)于粒子的最佳理論)的預測。但它也提出了關(guān)于這個模型局限性的問題，比如是否存在一個更基本的自然理論。

物理學家彼得·希格斯在1964年至1966年間的一系列論文中預言了希格斯玻色子的存在，認為這是賦予基本粒子質(zhì)量的機制的必然結(jié)果。該理論認為，粒子質(zhì)量是基本粒子與一個被稱為希格斯場的場相互作用的結(jié)果。根據(jù)同樣的模型，這樣的場也能產(chǎn)生希格斯粒子——這意味著如果希格斯玻色子不存在，這將最終會證偽整個理論。

但是很快就清楚要發(fā)現(xiàn)這種粒子將是一項挑戰(zhàn)。當三位理論物理學家經(jīng)過對希格斯玻色子物理特性的縝密研究后，他們戛然而止并作出了道歉：“我們向?qū)嶒瀸W家道歉，因為我們無法解釋希格斯玻色子的質(zhì)量...也并不能確定它與其他粒子的耦合。由此，我們并不鼓勵對希格斯玻色子進行大規(guī)模的實驗研究。”

直到1989年才開始了尋找希格斯玻色子的實驗，這是發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的重大時機。這個想法是用高能量將粒子一起粉碎，并在位于瑞士日內(nèi)瓦的核子研究組織（法語縮寫為CERN）的一個長17英里（27公里）的通道中制造希格斯玻色子——這是迄今為止建造的最大的電子-正電子對撞機（正電子與電子幾乎相同，但具有相反的電荷）。它運行了11年，但它產(chǎn)生的最大能量被證明只能達到5%，還不足以產(chǎn)生希格斯玻色子。

與此同時，歷史上最具規(guī)模的緹夫?。═evatron）對撞機，已經(jīng)開始在芝加哥附近的費米實驗室收集數(shù)據(jù)。緹夫?。═evatron）對撞機中碰撞的質(zhì)子（與中子一起組成原子核）和反質(zhì)子（與質(zhì)子幾乎相同，但帶有相反的電荷）產(chǎn)生的能量是在日內(nèi)瓦獲得能量的5倍，足以制造希格斯粒子。

2010年，大型強子對撞機（LHC）開始對撞質(zhì)子，其能量是緹夫?。═evatron）對撞機的7倍。最終，在2021年7月4日，CERN的兩個獨立實驗在各自收集了足夠的數(shù)據(jù)后，宣布發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。第二年，希格斯和他的合作者弗朗索瓦·恩格勒因“從理論上發(fā)現(xiàn)了一種有利于幫助我們理解亞原子粒子質(zhì)量起源的機制”而獲得了諾貝爾獎。但它的價值還不止于此。如果沒有希格斯玻色子，在最小尺度上描述粒子物理學的整個理論框架就會分崩離析。如果基本粒子不具有質(zhì)量 ，那么分子、人類、太陽系、宇宙中的任何結(jié)構(gòu)將不復存在。

即將來臨的麻煩

然而這一發(fā)現(xiàn)提出了全新的、根本的問題。CERN的實驗在繼續(xù)探測希格斯玻色子。它的性質(zhì)不僅決定了基礎(chǔ)粒子的質(zhì)量，而且決定了它們的穩(wěn)定性。就目前而言，這個結(jié)果表明，我們的宇宙并不處于一個完全穩(wěn)定的狀態(tài)。相反的，就像冰在熔點一樣，宇宙可能突然經(jīng)歷一個快速的“相變”。但這又并不像冰變成水那樣從固體變成液體，而是涉及到質(zhì)量的關(guān)鍵改變——以及宇宙中的自然規(guī)律。宇宙似乎是穩(wěn)定的，這一事實表明，在計算中可能遺漏了一些我們尚未發(fā)現(xiàn)的東西。

經(jīng)過了3年的維護和升級，大型強子對撞機的碰撞以前所未有的能量，幾乎是探測希格斯玻色子時的兩倍能量恢復運轉(zhuǎn)。這有助于找到那些使我們的宇宙遠離穩(wěn)定和快速經(jīng)歷相變之間的缺失粒子。

這個實驗還幫助我們回答了另一些問題：希格斯玻色子具有的獨特性質(zhì)能否使它成為發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的突破口？暗物質(zhì)是構(gòu)成宇宙中大部分物質(zhì)的無形物質(zhì)。暗物質(zhì)是不帶電的。希格斯玻色子與不帶電物質(zhì)的相互作用有其獨特的方式。

同樣獨特的性質(zhì)讓物理學家們質(zhì)疑希格斯玻色子是否根本不是基礎(chǔ)粒子？是否存在一種新的、未知的超越其他自然力的力——重力、電磁力、弱核力或強核力？或許是一種超出我們認知范圍的力，將未知的粒子結(jié)合成一種復合物體，而我們將其稱為希格斯玻色子？

距離希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)已經(jīng)過去了10年之久。（圖片來源：D-VISIONS/Shutterstock）

這些理論能夠有助于解決近期存有爭議的測量結(jié)果：即一些粒子并不按照標準模型那樣行為。因此，研究希格斯玻色子對于我們確定是否存在有待發(fā)現(xiàn)的超越標準模型的物理現(xiàn)象至關(guān)重要。

最終，大型強子對撞機會遇到與緹夫?。═evatron）對撞機同樣的問題。質(zhì)子碰撞是混亂的，它的碰撞能量只能達到某種程度。盡管我們擁有現(xiàn)代粒子物理學的全套裝備，包括復雜的探測器、先進的檢測方法以及機器學習，但大型強子對撞機所能達到的能量是有限的。

如果未來有專門被設計用于制造希格斯玻色子的高能對撞機，它將使我們能夠精確地測量出它獨有的那些重要的性質(zhì)，包括希格斯玻色子如何與其他希格斯玻色子相互作用。反過來這又決定了希格斯玻色子如何與自己的場相互作用。因此，研究這種相互作用能夠有助于我們進一步探索賦予粒子質(zhì)量的潛在過程。理論預測與未來測量數(shù)據(jù)之間的任何爭論，都表明了一個清晰的信號：我們需要全新的物理學。

這些測量數(shù)據(jù)將帶來極其深遠的影響，它將引導亦或限制我們的理解和判斷：對暗物質(zhì)的起源，對宇宙的誕生——或者，也許，甚至是對宇宙的最終命運。

BY:Stephen Jones

FY:小星星

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