編譯 王曉濤

十年前，也就是2012年7月4日，世界各地的科學(xué)家和記者齊聚歐洲核子研究中心。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的ATLAS和CMS合作組宣布，他們發(fā)現(xiàn)了一種新的基本粒子——希格斯玻色子。此時(shí)，距離理論物理學(xué)家預(yù)言這種粒子的存在已經(jīng)過去了近50年。這一發(fā)現(xiàn)具有十分重要的意義，不僅是因?yàn)槠诖丫玫男铝Ｗ拥玫阶C實(shí)，而且該粒子的存在也首次直接證明，在我們周圍存在一種新的基本“場(chǎng)”，即希格斯場(chǎng)。

物理學(xué)中場(chǎng)的概念在日常生活中隨處可見，例如地球磁場(chǎng)以及它對(duì)指南針的影響。希格斯場(chǎng)與磁場(chǎng)之間最重要的區(qū)別在于，如果移除磁場(chǎng)的源頭，磁場(chǎng)就會(huì)消失，但希格斯場(chǎng)在任何情況下都是非零的，與宇宙中是否存在其他東西無關(guān)。某種程度上，這令人想起源自古希臘的以太概念。二者的關(guān)鍵區(qū)別在于是否符合愛因斯坦的狹義相對(duì)論。

目前，物理學(xué)家將關(guān)于基本粒子和力的理論叫作標(biāo)準(zhǔn)模型理論，在這一框架下可以描述基本粒子和粒子間的相互作用力——引力除外。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，希格斯場(chǎng)對(duì)于我們所熟知的世界至關(guān)重要。

正如我們將在下面看到的一樣，任何粒子與希格斯場(chǎng)之間相互作用的強(qiáng)度直接影響該粒子的基本特性：質(zhì)量。因此，希格斯場(chǎng)決定了原子的大小，使得質(zhì)子穩(wěn)定，并且確定了放射性β衰變的時(shí)間尺度，從而影響恒星的壽命（表1）。然而，在日常生活中，我們并沒有注意到希格斯場(chǎng)就在我們身邊。能夠揭示希格斯場(chǎng)存在的唯一方法就是擾亂它，就像把石頭扔進(jìn)水里才能看到漣漪。一種被稱為希格斯玻色子的粒子就是這種擾動(dòng)的表現(xiàn)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，在表1中的三種情況下，相應(yīng)的粒子質(zhì)量都來自這些粒子與希格斯場(chǎng)的相互作用。最后一列表明我們是否有明確的實(shí)驗(yàn)跡象來證實(shí)這一觀點(diǎn)。

2012年的這一發(fā)現(xiàn)意義重大，一年之后，弗朗索瓦?恩格勒（Fran?ois Englert）和彼得?希格斯（Peter Higgs）就獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。他們與已故的羅伯特?布羅特（Robert Brout）是第一批揭示了這一領(lǐng)域?qū)A(chǔ)物理學(xué)的潛在重要性的科學(xué)家。從那時(shí)起，希格斯玻色子成為研究希格斯場(chǎng)影響標(biāo)準(zhǔn)模型中基本粒子方式的有力工具。此外，由于希格斯場(chǎng)是普遍存在的，希格斯玻色子如今也被廣泛用于尋找尚未在標(biāo)準(zhǔn)模型內(nèi)發(fā)現(xiàn)的粒子或效應(yīng)的特征。

標(biāo)準(zhǔn)模型中的希格斯玻色子

在標(biāo)準(zhǔn)模型中，除了希格斯玻色子，還有兩類粒子。一類是費(fèi)米子，例如上下夸克和電子，它們構(gòu)成了我們周圍的普通物質(zhì)。這些特定的粒子（連同三種中微子中的一種）被稱為第一代費(fèi)米子。另外兩組費(fèi)米子（第二代和第三代）是更重的粒子，這些粒子通常不存在于我們周圍的世界中。此外，還有一類粒子被統(tǒng)稱為矢量玻色子，包括作用力的載體：光子、W和Z玻色子以及膠子。當(dāng)它們?cè)趦蓚€(gè)費(fèi)米子之間交換時(shí)，會(huì)在這些費(fèi)米子之間產(chǎn)生吸引力或排斥力：光子攜帶電磁力，W和Z玻色子攜帶弱力，膠子攜帶強(qiáng)力。

表1 希格斯玻色子影響我們周圍世界的方式

20世紀(jì)60年代，當(dāng)物理學(xué)家開始嘗試描述這一圖景時(shí)，他們并不清楚是否真的能夠創(chuàng)建一個(gè)包含宏觀力載體的自洽理論。這個(gè)問題是在原子物理學(xué)以及凝聚態(tài)物理學(xué)中超導(dǎo)概念的背景下提出的。研究人員發(fā)現(xiàn)，如果引入力載體與“希格斯”場(chǎng)可發(fā)生相互作用這一假設(shè)，并且為該場(chǎng)設(shè)計(jì)一個(gè)非零值，那么這種理論就可能存在。

隨著標(biāo)準(zhǔn)模型中電弱統(tǒng)一理論的發(fā)展，粒子與希格斯場(chǎng)的相互作用成為了其公式的核心部分。想要在與實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持一致的前提下，解釋W(xué)和Z玻色子質(zhì)量產(chǎn)生的原因，并保證光子和膠子無質(zhì)量，就必須遵循這個(gè)假設(shè)。

值得注意的是，與希格斯場(chǎng)的相互作用也為費(fèi)米子質(zhì)量的產(chǎn)生提供了自洽的理論機(jī)制：?jiǎn)蝹€(gè)費(fèi)米子以不同的強(qiáng)度（或“耦合程度”）與希格斯場(chǎng)相互作用，相互作用的效果越強(qiáng)，產(chǎn)生的粒子質(zhì)量越大。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，這種作用被稱為“湯川”相互作用。因此，任何關(guān)于費(fèi)米子質(zhì)量起源的問題都可以看作對(duì)費(fèi)米子與希格斯場(chǎng)相互作用起源的討論。

為什么希格斯場(chǎng)一定是非零的？根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，存在與希格斯場(chǎng)值相關(guān)的勢(shì)能密度，最低勢(shì)能對(duì)應(yīng)于希格斯場(chǎng)的非零值。標(biāo)準(zhǔn)模型中勢(shì)的形式由內(nèi)部一致性條件決定。通過一些簡(jiǎn)化，我們將希格斯場(chǎng)的大小標(biāo)記為φ，勢(shì)的形式為

勢(shì)的最小值，即能量的最大可能取值，對(duì)應(yīng)于一個(gè)非零的φ值，φ=1。希格斯場(chǎng)的非零常數(shù)值告訴我們，它不可能攜帶角動(dòng)量，或者說它的自旋為0。自旋的非零值至少會(huì)破壞一個(gè)可靠的時(shí)空對(duì)稱性。因此，作為希格斯場(chǎng)激發(fā)后的結(jié)果，希格斯玻色子一定是自旋為0的粒子。它實(shí)際上也是已知的唯一具有這種性質(zhì)的基本粒子。

希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)之所以如此重要，其中一個(gè)原因是它可以用來測(cè)試上文所述的理論圖景。我們無法探測(cè)某一給定粒子與希格斯場(chǎng)的相互作用，但可以轉(zhuǎn)而測(cè)量粒子與希格斯場(chǎng)激發(fā)結(jié)果的相互作用，即與希格斯玻色子的相互作用。如果標(biāo)準(zhǔn)模型為粒子質(zhì)量的產(chǎn)生提供了正確的理論背景，那么任何粒子與希格斯玻色子相互作用的強(qiáng)度都一定與該粒子的質(zhì)量直接相關(guān)。

除了提供測(cè)試希格斯機(jī)制的有力方法外，希格斯玻色子與其他粒子的相互作用本身也很有趣，因?yàn)樗凳玖擞上８袼共Ｉ咏粨Q介導(dǎo)的“第五力”的存在。事實(shí)上，對(duì)于較重的粒子，這種力要更強(qiáng)，這使其與標(biāo)準(zhǔn)模型中的其他相互作用在性質(zhì)上有所不同。標(biāo)準(zhǔn)模型中的相互作用的強(qiáng)度是一些基本單位的倍數(shù)，比如電磁力與電子所帶電荷的關(guān)系。這種模式讓人聯(lián)想到引力，但二者依然有重要的區(qū)別。一方面，由希格斯玻色子介導(dǎo)的力只在很短的距離內(nèi)起作用，而愛因斯坦理論中的引力作用于所有距離尺度。另一方面，希格斯玻色子只與標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子直接耦合，而重力與粒子的總質(zhì)量有關(guān)。在一般的物質(zhì)中，總質(zhì)量遠(yuǎn)大于基本粒子質(zhì)量的總和，因?yàn)閺?qiáng)力對(duì)質(zhì)子和中子質(zhì)量的貢獻(xiàn)很大。

我們目前知道些什么？又是如何得知的？

希格斯機(jī)制提供了最簡(jiǎn)單的模型，以與電弱相互作用一致的方式解釋粒子質(zhì)量的產(chǎn)生。作為物理學(xué)家，我們應(yīng)該嘗試確定，它是否確實(shí)是符合自然法則的模型。

對(duì)希格斯玻色子的實(shí)驗(yàn)研究在粒子對(duì)撞機(jī)上進(jìn)行。當(dāng)碰撞的粒子與希格斯場(chǎng)發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用時(shí)，也就是說當(dāng)它們很重時(shí)，在碰撞中產(chǎn)生希格斯玻色子的可能性會(huì)更大一些。在所需的質(zhì)心能量很高的情況下，粒子物理學(xué)家只能夠使質(zhì)子和電子以及它們的反粒子作為碰撞的對(duì)象。這帶來了一個(gè)問題：電子和構(gòu)成質(zhì)子的粒子非常輕，也就是說，它們與希格斯玻色子的相互作用非常微弱。

粒子物理學(xué)家的方法是利用輕粒子在高能碰撞中偶爾產(chǎn)生重粒子，然后讓這些重粒子產(chǎn)生希格斯玻色子。歐洲核子研究中心的LHC使質(zhì)子發(fā)生碰撞，質(zhì)子主要由上下夸克和膠子組成。產(chǎn)生希格斯玻色子最常見的方法是讓一對(duì)膠子碰撞產(chǎn)生一個(gè)頂夸克和一個(gè)反頂夸克，這是一種非常短暫的量子漲落現(xiàn)象。頂夸克是已知最重的粒子（大約是質(zhì)子質(zhì)量的184倍），因此頂夸克和反頂夸克與希格斯場(chǎng)發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，這一過程偶爾會(huì)產(chǎn)生希格斯玻色子。不久之后（大約 10-22秒），希格斯玻色子衰變。大約2.6%的衰變?cè)谝粚?duì)Z玻色子中發(fā)生，它們本身也幾乎立即衰變，例如變成電子-正電子對(duì)或μ子-反μ子對(duì)（即所謂的帶電輕子），體現(xiàn)出獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)特征，見圖1a。

圖1 LHC產(chǎn)生希格斯玻色子。a.在LHC中希格斯玻色子產(chǎn)生和衰變的一個(gè)過程。b.來自CMS實(shí)驗(yàn)的四個(gè)輕子（4l；電子和/或μ子及其反粒子）的總質(zhì)心能量；125 GeV 附近的峰值對(duì)應(yīng)于希格斯玻色子的衰變，而 91.2 GeV 附近的峰值對(duì)應(yīng)于單個(gè)Z玻色子的衰變（不是希格斯機(jī)制引起的）。Z玻色子的衰變是用于發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的渠道之一，其他重要的發(fā)現(xiàn)渠道包括兩個(gè)W玻色子的衰變和兩個(gè)光子的衰變（后者通過頂夸克和W玻色子的量子漲落進(jìn)行）

LHC 的 ATLAS 和 CMS 實(shí)驗(yàn)選擇具有四個(gè)這樣的輕子的事件，并在它們的質(zhì)心框架中記錄輕子的總能量。產(chǎn)生四個(gè)輕子的方式有很多，但對(duì)于那些來自希格斯玻色子衰變的事件，總能量應(yīng)當(dāng)會(huì)聚集在希格斯玻色子質(zhì)量的周圍——即圖1b中的第二個(gè)峰。這個(gè)峰提供了相當(dāng)多的信息：（1）125 GeV附近峰的存在告訴我們存在一個(gè)新粒子，即希格斯玻色子；（2） 峰的位置顯示了希格斯玻色子的質(zhì)量；（3）峰中事件的其他特征，例如輕子的相對(duì)角分布（圖中未顯示），證實(shí)希格斯玻色子不攜帶本征角動(dòng)量，是一個(gè)自旋為0的粒子；（4） 峰中的事件數(shù)與希格斯玻色子與頂夸克和Z玻色子的相互作用密切相關(guān)。最后一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)模型中，希格斯機(jī)制預(yù)測(cè)了粒子與希格斯玻色子具體的相互作用強(qiáng)度，這為我們提供了對(duì)這一假設(shè)的第一個(gè)檢驗(yàn)。

這類測(cè)試的可靠性存在幾個(gè)潛在問題。例如，在圖1所示的過程中，需要假設(shè)存在可以產(chǎn)生頂夸克-反頂夸克對(duì)的量子漲落。即使該假設(shè)是正確的，峰值中的事件數(shù)告訴我們的也只是頂夸克和Z玻色子相互作用的結(jié)果，而不是相互作用本身。出于這個(gè)原因，LHC實(shí)驗(yàn)需要在眾多產(chǎn)物和衰變過程中尋找希格斯玻色子。例如，在一些可以觀測(cè)到希格斯玻色子衰變的事件中，頂夸克不僅僅是一種短暫的量子漲落，還是壽命極短的真實(shí)粒子的產(chǎn)物，這些粒子在與希格斯玻色子的碰撞中出現(xiàn)并且可以通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。2018年的這一發(fā)現(xiàn)是粒子物理學(xué)的一個(gè)重要里程碑。與之同樣重要的還有對(duì)希格斯玻色子衰變?yōu)榈卓淇撕挺虞p子的觀測(cè)?？傊@些測(cè)量結(jié)果最終告訴了我們，希格斯機(jī)制是第三代帶電費(fèi)米子的質(zhì)量產(chǎn)生的原因。

總體而言，通過收集來自不同產(chǎn)生和衰變方式的信息，我們知曉了最重的粒子（矢量玻色子和費(fèi)米子）與希格斯場(chǎng)相互作用的情況，這與標(biāo)準(zhǔn)模型中的假設(shè)一致。當(dāng)前的測(cè)量精度范圍為5%～20%。然而，希格斯場(chǎng)與非常輕的粒子（例如電子和上下夸克）的相互作用卻十分罕見。

雖然在LHC上發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型下的希格斯玻色子是一件備受期待的事，但可以利用LHC探索得知如此多的信息還是十分令人驚訝。在短短十年內(nèi)，我們就知曉了希格斯玻色子相互作用的部分理論，這是一項(xiàng)重大成就。要知道，在LHC投入使用時(shí)，許多產(chǎn)生和衰變方式的測(cè)量都被認(rèn)為超出了LHC的范圍。

我們之所以能夠取得這一進(jìn)展，原因有很多。其中一個(gè)原因是大自然恰好為希格斯玻色子的質(zhì)量選擇了適合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的值。如果希格斯玻色子重50 GeV，我們就基本不可能檢測(cè)到兩個(gè)以上的基本衰變方式（即一對(duì)W玻色子或一對(duì)Z玻色子）。如果它只是輕 10 GeV，那么我們目前就不可能觀察到W玻色子和Z玻色子的衰變。不過，這不僅僅是好運(yùn)氣的問題。

LHC加速器以及ATLAS和CMS探測(cè)器（它們都是高度復(fù)雜的探測(cè)系統(tǒng)）的卓越性能至關(guān)重要。此外，在過去十年中，分析對(duì)撞機(jī)數(shù)據(jù)的技術(shù)也取得了重大進(jìn)展。例如，當(dāng)探測(cè)器一次同時(shí)觀測(cè)每秒4 000萬次的數(shù)十個(gè)質(zhì)子-質(zhì)子碰撞過程時(shí)，我們知道如何可靠地提取其中某一個(gè)質(zhì)子-質(zhì)子碰撞的信息。再比如，對(duì)于希格斯玻色子其他過程的研究（例如，希格斯玻色子衰變?yōu)閮蓚€(gè)底夸克或兩個(gè)W玻色子），實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和理論物理學(xué)家需要開發(fā)多樣的技術(shù)，來區(qū)分希格斯玻色子的信號(hào)與許多具有與希格斯玻色子相似特征但與其無關(guān)的信號(hào)，比如圖1b中那條清晰的峰。這些研究正越來越多地從數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的技術(shù)中受益。

如果沒有幾十年來預(yù)測(cè)和模擬質(zhì)子碰撞時(shí)產(chǎn)生的大量效應(yīng)（通常與強(qiáng)相互作用相關(guān)），就不可能根據(jù)希格斯相互作用的強(qiáng)度對(duì)觀察到的信號(hào)速率進(jìn)行定量的解釋。例如，在給定一定數(shù)量的質(zhì)子碰撞過程的情況下，對(duì)夸克和膠子碰撞的速率進(jìn)行理論計(jì)算是至關(guān)重要的一步。另外，碰撞通常不僅僅涉及一個(gè)量子漲落，如圖1所示，而是會(huì)有多個(gè)額外的量子漲落，每一個(gè)都會(huì)改變希格斯玻色子產(chǎn)生的概率。在理論預(yù)測(cè)中可以解釋的量子漲落的數(shù)量越多（目前最多可以有三個(gè)額外的漲落），人們就越能準(zhǔn)確地將實(shí)驗(yàn)觀察與標(biāo)準(zhǔn)模型聯(lián)系起來。最后，圖1是一張經(jīng)過大幅簡(jiǎn)化后的圖片，真正的實(shí)驗(yàn)在很大程度上依賴于對(duì)產(chǎn)生數(shù)百個(gè)粒子的質(zhì)子-質(zhì)子碰撞的完整結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確模擬。

我們還需要完善什么？

從許多方面來說，對(duì)希格斯玻色子的實(shí)驗(yàn)探索還只是處于起步階段。我們目前正在進(jìn)行的研究有兩個(gè)大致的方向：一是在已經(jīng)觀察到的相互作用中觀測(cè)得到更高的精度，二是檢測(cè)迄今為止尚未發(fā)現(xiàn)的其他類型的相互作用。

我們先說精度的問題。對(duì)于希格斯玻色子與W和Z玻色子以及第三代帶電輕子和夸克的相互作用，目前已知的精度約為5%～20%。如果我們對(duì)電磁力強(qiáng)度的測(cè)量精度僅為10%，我們恐怕就不會(huì)認(rèn)為電磁學(xué)理論是正確的了。

追求更高精度的原因之一是，盡管上述標(biāo)準(zhǔn)模型中的希格斯機(jī)制是與數(shù)據(jù)一致的最簡(jiǎn)單模型，但它遠(yuǎn)非唯一可行的模型。事實(shí)上，正如我們將在下面詳細(xì)說明的那樣，人們普遍認(rèn)為，目前的標(biāo)準(zhǔn)模型并不能說是對(duì)大自然的完整描述。例如，我們可以想象希格斯玻色子不是基本粒子，而是由其他尚未發(fā)現(xiàn)的粒子組成。對(duì)希格斯玻色子相關(guān)過程的高精度測(cè)量對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)模型的這種理論上的擴(kuò)展十分重要。而且，希格斯玻色子相關(guān)過程的速率可能會(huì)受到涉及任何新粒子的量子漲落的影響。即使在假定新粒子太重而無法在給定對(duì)撞機(jī)上直接產(chǎn)生和觀察的情況下，這種影響也可能是可見的。一般來說，將精度提高4倍就可以有效地使間接探測(cè)這些新粒子的質(zhì)量規(guī)模增加1倍。

理論上，改進(jìn)的道路是直截了當(dāng)?shù)模涸谖磥?5～20年內(nèi)，LHC獲批的高亮度升級(jí)將使得數(shù)據(jù)量提高20倍，分析技術(shù)和理論計(jì)算也將得到可預(yù)見的改進(jìn)，ATLAS和CMS實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)會(huì)以百分之幾以內(nèi)的精度測(cè)量當(dāng)前觀察到的相互作用。要想更進(jìn)一步，我們需要一種不同類型的對(duì)撞機(jī)。質(zhì)心能量約為 250 GeV 的電子-正電子對(duì)撞機(jī)（“希格斯工廠”）被廣泛地認(rèn)為是一個(gè)很有前途的選擇。其優(yōu)點(diǎn)在于，電子和正電子與質(zhì)子相比是非常簡(jiǎn)單的基本粒子，并且電子-正電子對(duì)撞機(jī)中主要的希格斯玻色子產(chǎn)生機(jī)制在很大程度上與強(qiáng)相互作用并沒有密切相關(guān)。這樣的對(duì)撞機(jī)可以將希格斯相互作用的測(cè)量精確度提高大約10倍。

現(xiàn)在讓我們來討論目前尚未發(fā)現(xiàn)的相互作用。盡管我們有能力提高與矢量玻色子和第三代（最重）夸克和輕子相關(guān)的希格斯玻色子的測(cè)量精度，但希格斯玻色子與我們?nèi)粘Ｉ畹南嚓P(guān)性在于，我們認(rèn)為它可以產(chǎn)生第一代（最輕的）基本粒子、電子和上下夸克的質(zhì)量。盡管很難通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試我們對(duì)第一代費(fèi)米子與希格斯玻色子之間相互作用的理論預(yù)期，但對(duì)于第二代費(fèi)米子，尤其是希格斯玻色子與μ子之間的相互作用（H→μ+μ?衰變）仍然有良好的前景。到目前為止的數(shù)據(jù)表明，如果這樣的衰變發(fā)生的速率符合標(biāo)準(zhǔn)模型，我們預(yù)計(jì)將在未來十年內(nèi)看到這一結(jié)果。對(duì)其余第二代粒子的測(cè)量則更加困難。

LHC可以排除希格斯玻色子與粲夸克的異常強(qiáng)烈的相互作用。長(zhǎng)期以來，人們一直認(rèn)為，要想觀察到明顯的H→cc衰變現(xiàn)象，我們未來將需要更加強(qiáng)大的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（或者電子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)）。最近，LHC對(duì)這種衰變方式的探測(cè)敏感性有了顯著提高，這引發(fā)了一個(gè)問題，即其觀測(cè)結(jié)果在未來是否可能落在高亮度LHC的范圍內(nèi)。對(duì)于湯川相互作用的其他方式，我們目前還所知甚少。

我們正嘗試確定正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)對(duì)電子和奇異夸克的湯川相互作用的潛在敏感性，盡管目前看來，要想獲得統(tǒng)計(jì)上的結(jié)論性信號(hào)非常具有挑戰(zhàn)性。對(duì)于上下夸克與希格斯玻色子的耦合，我們目前還沒有找到具體的可能路徑，除非這些耦合在標(biāo)準(zhǔn)模型的期望下出現(xiàn)了很高的強(qiáng)度。我們也討論了精確的原子物理測(cè)量是否會(huì)對(duì)觀測(cè)涉及輕夸克的希格斯力有幫助這個(gè)問題，但這同樣也不是一件容易的事情。

所有希格斯玻色子相關(guān)的物理學(xué)的核心都是希格斯勢(shì)。回憶一下，我們之前說過，希格斯場(chǎng)在宇宙中的任何地方都是非零的，如果希格斯勢(shì)取最小值，就會(huì)產(chǎn)生費(fèi)米子和電弱玻色子的非零質(zhì)量。希格斯物理學(xué)中最重要的開放性問題之一是，寫在該方程中的勢(shì)是否符合自然情況的勢(shì)。我們無法直接探究希格斯場(chǎng)中不同值的潛在情況，但事實(shí)證明，緊鄰最小值的特定形狀決定了一個(gè)重要過程的概率，即一個(gè)希格斯玻色子分裂成兩個(gè)（甚至三個(gè)）希格斯玻色子。這種過程被稱為希格斯玻色子的自相互作用。目前普遍認(rèn)為，對(duì)這樣一個(gè)過程的精準(zhǔn)觀測(cè)是最好的（但不是唯一的）以實(shí)驗(yàn)方式確定希格斯勢(shì)是否符合我們所在的世界的方法。等到15～20年后，高亮度LHC運(yùn)行結(jié)束時(shí)，ATLAS和CMS實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)將首次看到同時(shí)有兩個(gè)希格斯玻色子產(chǎn)生的現(xiàn)象。然而，要想得到第一個(gè)希格斯玻色子分裂產(chǎn)生的希格斯對(duì)產(chǎn)物的確鑿證據(jù)，我們肯定需要更強(qiáng)大的對(duì)撞機(jī)，至于是哪一種對(duì)撞機(jī)目前還在討論當(dāng)中。

這些只是正在探索的問題的一部分。其他推動(dòng)LHC實(shí)驗(yàn)的靈敏度變高的重要因素包括對(duì)希格斯玻色子的壽命探測(cè)，以及在遠(yuǎn)高于電弱能級(jí)的能量下探究希格斯玻色子相互作用的性質(zhì)。

粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)中與希格斯玻色子相關(guān)的主要未決問題

上述許多測(cè)量實(shí)驗(yàn)之所以有趣，不僅是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型中的希格斯玻色子的基本性質(zhì)，還因?yàn)樗鼈兛梢詫⑾８袼共Ｉ拥淖饔脭U(kuò)展到標(biāo)準(zhǔn)模型之外的場(chǎng)景。盡管迄今為止，標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)成功通過了眾多的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，但它也留下了幾個(gè)重點(diǎn)問題。希格斯玻色子與這些謎題的可能解決方案在不同程度上有所聯(lián)系。

我們以其中一些可能的聯(lián)系來結(jié)束我們的討論，如圖2所示，它們?cè)谥笇?dǎo)粒子物理學(xué)正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和理論研究方向上發(fā)揮著重要作用。我們需要討論很多內(nèi)容，因此會(huì)更強(qiáng)調(diào)與希格斯玻色子密切相關(guān)的方面，稍后則只是簡(jiǎn)要提及一些更具推測(cè)性的想法。

圖2 希格斯玻色子物理學(xué)與粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)的主要未決問題的可能聯(lián)系。粒子物理學(xué)中幾個(gè)主要的開放性問題來自實(shí)驗(yàn)觀測(cè)或理論論證。希格斯玻色子可能是解決其中一些問題的關(guān)鍵

物理學(xué)存在一個(gè)重要的難題：弱相互作用和希格斯相互作用都比引力相互作用強(qiáng)得多，大約是1032倍。因此，令所有已知的相互作用都來自一個(gè)統(tǒng)一且更簡(jiǎn)單的框架非常具有挑戰(zhàn)性。在過去的幾十年里，想要解釋這種巨大差異的起源的愿望，即所謂的“等級(jí)問題”，激發(fā)了科學(xué)家們的一系列理論見解。

有一種可能性是，希格斯玻色子并不是基本粒子，而是由其他尚未發(fā)現(xiàn)的粒子組成的復(fù)合物質(zhì)。還有人經(jīng)過深入研究后認(rèn)為，可以從新的（近似）時(shí)空對(duì)稱性和新的空間維度入手。最近，根據(jù)某些更大膽的想法，弱能量尺度與宇宙演化過程或宇宙中的暗能量總值之間可能存在聯(lián)系。

如果不去考慮這些想法，也不引入新的機(jī)制，弱相互作用和引力相互作用之間的等級(jí)只有在某些終極基本理論中的不同參數(shù)減小到1/1032內(nèi)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。這被稱為希格斯玻色子的微調(diào)問題。

希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)不可避免地使這些問題浮出了水面。希格斯玻色子的存在，以及它的（目前仍然是近似的）性質(zhì)，已經(jīng)排除了許多理論。與之前的幾十年相比，我們現(xiàn)在有了更清晰的目標(biāo)和要用理論模型來回答的更尖銳的問題。

另一個(gè)重要的問題是，為什么宇宙中的正物質(zhì)比反物質(zhì)多。這種所謂的重子不對(duì)稱性無法利用標(biāo)準(zhǔn)模型來解釋。如果滿足一組合適的條件，就可以產(chǎn)生這種不對(duì)稱性。目前我們正在探索的有希望的解決手段是追蹤宇宙在大爆炸后冷卻下來的歷史。

當(dāng)宇宙非常熱時(shí)，希格斯場(chǎng)非零值處的希格斯勢(shì)最小值在很大程度上是無關(guān)緊要的，因?yàn)闇囟鹊牟▌?dòng)遠(yuǎn)大于勢(shì)的深度。隨著宇宙的冷卻，情況發(fā)生了變化。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，這種變化是平滑的。而其他場(chǎng)景，包括與希格斯玻色子相互作用的新粒子，將產(chǎn)生一個(gè)更尖銳的轉(zhuǎn)變，這為產(chǎn)生重子不對(duì)稱性初步奠定了基礎(chǔ)。

這些場(chǎng)景會(huì)涉及更復(fù)雜的希格斯勢(shì)結(jié)構(gòu)，以及至少一種電弱能量尺度的新粒子。LHC可以通過直接產(chǎn)生，或利用其對(duì)希格斯玻色子耦合特別是希格斯自相互作用的影響，來探測(cè)到這種新粒子。因此，測(cè)量后者對(duì)于闡明這個(gè)問題至關(guān)重要。早期宇宙相變也可能產(chǎn)生引力信號(hào)，這可以通過未來的引力波實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到。

除了上述與希格斯玻色子直接相關(guān)的問題外，在其他一些背景下，希格斯玻色子也可以發(fā)揮重要作用，例如暗物質(zhì)問題。天體物理學(xué)和宇宙學(xué)觀測(cè)表明，宇宙中的大部分物質(zhì)都不是由我們所知的任何粒子構(gòu)成的，而是暗物質(zhì)。這種觀測(cè)依賴于暗物質(zhì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型下的一般物質(zhì)的引力效應(yīng)。我們對(duì)暗物質(zhì)的非引力特性知之甚少。質(zhì)量在電弱質(zhì)量和希格斯質(zhì)量尺度附近的新粒子可能是有希望的暗物質(zhì)候選者。

由于希格斯機(jī)制可以產(chǎn)生類似質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子，因此它可能在產(chǎn)生暗物質(zhì)質(zhì)量以及其他方面也發(fā)揮了一些作用。在某些情況下，暗物質(zhì)可能涉及不止一種粒子。與標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子類似，它們也有自己的相互作用，以及一整套與其密切相關(guān)的粒子。在這種情況下，希格斯玻色子將提供一個(gè)通往新“黑暗世界”的入口。

不同代標(biāo)準(zhǔn)模型粒子之間的質(zhì)量和相互作用模式的起源也是一個(gè)有趣的謎題。例如，第一代夸克比第三代夸克輕得多，我們需要在標(biāo)準(zhǔn)模型中通過設(shè)置不同的湯川耦合值來進(jìn)行手動(dòng)排列。探索這種模式的起源也是幾十年來努力的重點(diǎn)。由于希格斯場(chǎng)負(fù)責(zé)產(chǎn)生這些粒子的質(zhì)量，我們很容易認(rèn)為，實(shí)際的希格斯玻色子在結(jié)構(gòu)上可能并不符合標(biāo)準(zhǔn)模型。

與這些想法相關(guān)的模型通常會(huì)預(yù)測(cè)希格斯玻色子和夸克（和/或輕子）之間的修正相互作用。這種模型的一個(gè)特征是，希格斯玻色子可以衰變成一對(duì)具有不同“味道”的夸克或輕子。同樣，人們也可能會(huì)問，希格斯機(jī)制是否也會(huì)在產(chǎn)生極小的中微子質(zhì)量方面發(fā)揮了作用。我們?cè)谶@方面已經(jīng)設(shè)想了幾種模型。

上述問題將希格斯玻色子與已知或未知的基本粒子聯(lián)系了起來。然而，基礎(chǔ)物理學(xué)中也存在一些超越此類問題的謎團(tuán)，并且設(shè)想了與希格斯玻色子之間的大膽但有趣的聯(lián)系。例如，我們已經(jīng)注意到，如果在比希格斯質(zhì)量高9個(gè)數(shù)量級(jí)的能量下進(jìn)行測(cè)量，希格斯玻色子在標(biāo)準(zhǔn)模型下的自相互作用會(huì)非常接近于零。一個(gè)非常奇怪且與之相關(guān)的事實(shí)是，標(biāo)準(zhǔn)模型下希格斯玻色子的基態(tài)能量似乎可能比我們所處狀態(tài)的能量要低。因此，量子力學(xué)允許我們的整個(gè)宇宙存在可以衰變的“隧道”過程，盡管在宇宙 140 億年的年齡內(nèi)發(fā)生這種事件的可能性很小。我們提到的關(guān)于高能希格斯場(chǎng)新動(dòng)力學(xué)的最后一種想法是其可能與暴脹有關(guān)。暴脹是早期宇宙中指數(shù)膨脹的時(shí)期，這對(duì)于解釋宇宙微波背景驚人的長(zhǎng)距離均勻性至關(guān)重要。自旋為 0 的希格斯玻色子可能是導(dǎo)致暴脹的原因。

希格斯玻色子是尋找上述幾個(gè)問題的答案的寶貴工具。許多解決方案都預(yù)測(cè)了與希格斯玻色子發(fā)生直接相互作用的新粒子的存在。我們將在高能對(duì)撞機(jī)上積極尋找這些粒子。直接產(chǎn)生這些粒子的努力可能超出了我們的能力范圍，例如由于LHC的能量不夠，它們參與量子漲落可能會(huì)影響希格斯玻色子的產(chǎn)生和衰變，就像圖2中頂夸克量子漲落介導(dǎo)的希格斯玻色子的產(chǎn)生那樣。如上所述，未來對(duì)希格斯玻色子的精確測(cè)量將大大提高探測(cè)這種情況的靈敏度。

結(jié)論

在LHC上發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子標(biāo)志著粒子物理學(xué)新時(shí)代的開始。自那以后的十年里，由于實(shí)驗(yàn)和理論方面的進(jìn)步，對(duì)希格斯玻色子的探索遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)時(shí)的預(yù)期。到目前為止，與希格斯玻色子相關(guān)的測(cè)量都與標(biāo)準(zhǔn)模型一致，這是當(dāng)前所有粒子物理學(xué)模型中最簡(jiǎn)單的奧卡姆剃刀原則的一次非凡勝利。在20世紀(jì)60年代首次提出的希格斯機(jī)制不僅與W和Z玻色子的質(zhì)量產(chǎn)生有關(guān)，也適用于三種最重的費(fèi)米子。這暗示了由希格斯玻色子介導(dǎo)的第五種力的存在。不過，還有很多事情有待探討。無論在未來幾十年里有怎樣的發(fā)現(xiàn)，我們都將變得更加明智：這些發(fā)現(xiàn)要么會(huì)為標(biāo)準(zhǔn)模型的部分內(nèi)容提供確鑿的證據(jù)，例如希格斯勢(shì)的性質(zhì)；要么可以打開一扇通往全新視野和宇宙終極奧秘的窗口。

資料來源 Nature