规范玻色子

希格斯玻色子解锁新物理学

希格斯玻色子：在它被发现的十年后，为什么这种粒子能解锁超出标准模型的新物理现象？

十年前，科学家宣布发现了希格斯玻色子，这有助于解释为什么基本粒子(自然界最小的组成部分)具有质量。

发现希格斯玻色子的新闻发布会

（图片来源：Cern）

这篇文章初次被发表在The Conversation网站上。该刊为 Space.com的专家之声：观点与见解栏目提供了这篇文章。Martin Bauer，杜伦大学物理学副教授;Stephen Jones,杜伦大学物理学副教授

十年前，科学家宣布发现了希格斯玻色子，这有助于解释为什么基本粒子(自然界最小的组成部分)具有质量。对于粒子物理学家来说，这意味着长达数十年且极为艰难的旅程终于结束，可以说是该领域历史上最重要的成果。这一终结也标志着实验物理学新时代的开始。

在过去的十年中，对希格斯玻色子性质的测量证实了粒子物理学标准模型(我们关于粒子的最佳理论)的预测。但它也提出了关于这个模型局限性的问题，比如是否存在一个更基本的自然理论。

物理学家彼得·希格斯在1964年至1966年间的一系列论文中预言了希格斯玻色子的存在，认为这是赋予基本粒子质量的机制的必然结果。该理论认为，粒子质量是基本粒子与一个被称为希格斯场的场相互作用的结果。根据同样的模型，这样的场也能产生希格斯粒子——这意味着如果希格斯玻色子不存在，这将最终会证伪整个理论。

但是很快就清楚要发现这种粒子将是一项挑战。当三位理论物理学家经过对希格斯玻色子物理特性的缜密研究后，他们戛然而止并作出了道歉：“我们向实验学家道歉，因为我们无法解释希格斯玻色子的质量...也并不能确定它与其他粒子的耦合。由此，我们并不鼓励对希格斯玻色子进行大规模的实验研究。”

直到1989年才开始了寻找希格斯玻色子的实验，这是发现希格斯玻色子的重大时机。这个想法是用高能量将粒子一起粉碎，并在位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究组织（法语缩写为CERN）的一个长17英里（27公里）的通道中制造希格斯玻色子——这是迄今为止建造的最大的电子-正电子对撞机（正电子与电子几乎相同，但具有相反的电荷）。它运行了11年，但它产生的最大能量被证明只能达到5%，还不足以产生希格斯玻色子。

与此同时，历史上最具规模的美国缇夫隆（Tevatron）对撞机，已经开始在芝加哥附近的费米实验室收集数据。缇夫隆（Tevatron）对撞机中碰撞的质子（与中子一起组成原子核）和反质子（与质子几乎相同，但带有相反的电荷）产生的能量是在日内瓦获得能量的5倍，足以制造希格斯粒子。

2010年，大型强子对撞机（LHC）开始对撞质子，其能量是缇夫隆（Tevatron）对撞机的7倍。最终，在2021年7月4日，CERN的两个独立实验在各自收集了足够的数据后，宣布发现了希格斯玻色子。第二年，希格斯和他的合作者弗朗索瓦·恩格勒因“从理论上发现了一种有利于帮助我们理解亚原子粒子质量起源的机制”而获得了诺贝尔奖。但它的价值还不止于此。如果没有希格斯玻色子，在最小尺度上描述粒子物理学的整个理论框架就会分崩离析。如果基本粒子不具有质量 ，那么分子、人类、太阳系、宇宙中的任何结构将不复存在。

即将来临的麻烦

然而这一发现提出了全新的、根本的问题。CERN的实验在继续探测希格斯玻色子。它的性质不仅决定了基础粒子的质量，而且决定了它们的稳定性。就目前而言，这个结果表明，我们的宇宙并不处于一个完全稳定的状态。相反的，就像冰在熔点一样，宇宙可能突然经历一个快速的“相变”。但这又并不像冰变成水那样从固体变成液体，而是涉及到质量的关键改变——以及宇宙中的自然规律。宇宙似乎是稳定的，这一事实表明，在计算中可能遗漏了一些我们尚未发现的东西。

经过了3年的维护和升级，大型强子对撞机的碰撞以前所未有的能量，几乎是探测希格斯玻色子时的两倍能量恢复运转。这有助于找到那些使我们的宇宙远离稳定和快速经历相变之间的缺失粒子。

这个实验还帮助我们回答了另一些问题：希格斯玻色子具有的独特性质能否使它成为发现暗物质的突破口？暗物质是构成宇宙中大部分物质的无形物质。暗物质是不带电的。希格斯玻色子与不带电物质的相互作用有其独特的方式。

同样独特的性质让物理学家们质疑希格斯玻色子是否根本不是基础粒子？是否存在一种新的、未知的超越其他自然力的力——重力、电磁力、弱核力或强核力？或许是一种超出我们认知范围的力，将未知的粒子结合成一种复合物体，而我们将其称为希格斯玻色子？

距离希格斯玻色子被发现已经过去了10年之久。（图片来源：D-VISIONS/Shutterstock）

这些理论能够有助于解决近期存有争议的测量结果：即一些粒子并不按照标准模型那样行为。因此，研究希格斯玻色子对于我们确定是否存在有待发现的超越标准模型的物理现象至关重要。

最终，大型强子对撞机会遇到与缇夫隆（Tevatron）对撞机同样的问题。质子碰撞是混乱的，它的碰撞能量只能达到某种程度。尽管我们拥有现代粒子物理学的全套装备，包括复杂的探测器、先进的检测方法以及机器学习，但大型强子对撞机所能达到的能量是有限的。

如果未来有专门被设计用于制造希格斯玻色子的高能对撞机，它将使我们能够精确地测量出它独有的那些重要的性质，包括希格斯玻色子如何与其他希格斯玻色子相互作用。反过来这又决定了希格斯玻色子如何与自己的场相互作用。因此，研究这种相互作用能够有助于我们进一步探索赋予粒子质量的潜在过程。理论预测与未来测量数据之间的任何争论，都表明了一个清晰的信号：我们需要全新的物理学。

这些测量数据将带来极其深远的影响，它将引导亦或限制我们的理解和判断：对暗物质的起源，对宇宙的诞生——或者，也许，甚至是对宇宙的最终命运。

BY:Stephen Jones

FY:小星星

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