“上帝粒子”发现十周年：已知的和未知的

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“上帝粒子”发现十周年：已知的和未知的

Original Nature Portfolio Nature Portfolio 2022-07-07 23:40 Posted on 上海

原文作者：Elizabeth Gibney

物理学家庆祝希格斯玻色子发现十周年，但它的许多属性仍有待探索。

2012年7月4日，欧洲的粒子物理实验室——欧洲核子中心（CERN）——宣布他们找到了一直在寻觅的希格斯玻色子（Higgs boson）。这种遁形粒子的最终发现填补了标准模型（标准模型提供了对粒子和力的最佳描述）的最后一个空白，同时也为我们了解希格斯场提供了一个新的窗口，让科学家可以进一步认识之前未被研究的一种能赋予粒子质量的相互作用。

自那以后，CERN在瑞士日内瓦近郊的大型强子对撞机（LHC）团队就格外忙碌，先后共发表了近350篇关于希格斯玻色子的科研论文。只是，该粒子的许多属性仍然成谜。

大型强子对撞机（LHC）的ATLAS探测器部分结构。来源：Maximilien Brice, Julien Marius Ordan/CERN

在希格斯玻色子发现十周年之际，《自然》回顾了希格斯玻色子揭示的宇宙奥秘，以及一些尚待解答的重大问题。

科学家已知的5件事

希格斯玻色子的质量为125千兆电子伏特

物理学家曾相信希格斯玻色子终有一天会被发现，但并不确定这一天要等多久。物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）等人在1960年代就推断，如今所知的希格斯场或能揭示为何光子没有质量，而负责传递控制放射性的弱核力的W玻色子和Z玻色子却很重（对于亚原子粒子来说）。希格斯场的特殊性质决定了所有粒子的质量都遵循相同的计算方法，而这也成为了标准模型的一个关键部分。但标准模型没有对希格斯玻色子的质量进行预测，也就无从推断LHC能最终发现它的时间。

结果，希格斯玻色子的“现身”远比科学家预期的要早。LHC在2009年开始为了寻找希格斯粒子收集数据，而LHC的通用探测器ATLAS和CMS在2012年同时发现了它。这两个探测器观测到了十几个希格斯玻色子衰变成光子、W玻色子和Z玻色子，同时有一个信号出现在了125千兆电子伏特（GeV）的位置——这一质量约为质子的125倍。

125 GeV的质量让希格斯玻色子处于一个最佳区间，这意味着该玻色子衰变成各种粒子的频率足够高，能被LHC实验检测到，CERN的理论物理学家Matthew Mccullough说，“这太奇怪了，很有可能是一次偶然事件，但它就是发生了，这个质量可以让你测量关于希格斯粒子的方方面面。”

希格斯玻色子是一种自旋为零的粒子

在量子力学上，自旋是粒子的一种内禀属性，就像粒子内部的一个条形磁铁。其他已知的基本粒子自旋为1/2或1，但根据理论，与众不同的希格斯粒子自旋为零（对其电荷为零的预测也得到了证实）。

2013年，CERN通过实验研究了希格斯玻色子衰变产生的光子会从什么角度进入探测器，并利用这一信息证明了希格斯粒子自旋为零的概率很大。在这一点得到证明之前，几乎没有物理学家愿意称他们发现的这个粒子为希格斯粒子，意大利帕多瓦大学的理论物理学家Ramona Gröber说。

希格斯粒子的属性推翻了标准模型的一些扩展理论

物理学家承认标准模型并不完备，比如它在高能条件下并不成立，也无法解释一些重要的观测结果，比如暗物质的存在或是宇宙中反物质为何那么少。为了解释这些现象，物理学家对标准模型进行了扩展。Gröber说，发现希格斯玻色子的质量为125 GeV让这类理论中的一些黯然失色。但这个质量其实处于一个灰色地带，它能完全推翻的理论很少，德国电子同步加速器（DESY）的粒子物理学家Freya Blekman说，“现在我们有的这个粒子总是多了些什么或少了些什么。”

希格斯玻色子与其他粒子的相互作用与标准模型的预测一致

根据标准模型的理论，一个粒子的质量取决于它与希格斯场的相互作用强度。虽然希格斯粒子——就像希格斯场中的涟漪——在这个过程中不起任何作用，但希格斯玻色子衰变成其他特定粒子的速度或是这种粒子产生希格斯玻色子的速度，可作为衡量该粒子与希格斯场相互作用强度的指标。LHC的实验已经证实，至少对于希格斯粒子衰变中产生频率最高的那些最重的粒子来说，它们的质量与希格斯场的作用强度是成比例的——这一发现对于一个提出已有60年的理论来说无疑是一次重大胜利。

宇宙是稳定的——但程度只是刚刚好

基于希格斯玻色子的质量展开的计算发现，宇宙可能只是暂时稳定，仍有非常小的概率会进入更低的能量状态，造成不堪设想的后果。

和其他已知场不同，希格斯场即使在真空中，最低能量态也高于零，而且它渗透了整个宇宙。根据标准模型的理论，这种“基态”取决于粒子如何与希格斯场交互作用。就在物理学家得到希格斯玻色子的质量后不久，理论学家就用这个值（和其他测量值）预测还有一个更低、更稳定的能量态。

进入这一种状态需要突破巨大的能量壁垒，Mccullough说，而且这种情况发生的概率很小，以至于不太可能在这个宇宙的生命周期里发生。“出于某些原因，世界末日来得还快些。”

CERN的CMS探测器在2012年记录事件的计算机重建图，描绘了希格斯玻色子衰变成一对光子（黄色虚线和绿色宝塔线）时的应有特征。来源：Thomas Mc Cauley, CMS Collaboration/CERN

科学家还想知道的5件事

对希格斯粒子的测量结果还能更精确吗？

目前为止，希格斯玻色子的属性——如相互作用强度——与标准模型的预测一致，但不确定度在10%左右。这还不足以揭示新的物理理论与标准模型之间非常小的预测差异，Blekman说。

更多数据能提高这类测量值的精度，LHC现在收集到的数据只占其目标的1/20。在精确研究中发现提示新现象的信号，比直接观测到新粒子的可能性更大，阿根廷圣马丁国立大学的理论物理学家Daniel de Florian说，“至少在下一个十年里，精准才是最重要。”

希格斯粒子会和更轻的粒子相互作用吗？

目前来看，希格斯玻色子的相互作用似乎符合标准模型的理论，但物理学家迄今只看到它衰变成一些最重的物质粒子，如底夸克等。现在，物理学家想要知道希格斯粒子是否会和来自更轻粒子家族（也称世代）的粒子发生同样的相互作用。2020年，CMS和ATLAS发现了一次这种相互作用——一个希格斯粒子罕见衰变成了电子的第二代表亲——μ子[1]。虽然这说明质量与相互作用强度的关系对于更轻的粒子也同样适用，但物理学家还需要更多数据来加以证实。

希格斯粒子会自相互作用吗？

既然希格斯玻色子有质量，那它就会和自己相互作用。但这种相互作用——比如高能希格斯粒子衰变成两个能量较低的粒子——非常罕见，因为参与其中的粒子都太重了。ATLAS和CMS希望等到LHC在2026年开始升级换代后，能捕捉到显示这种相互作用存在的信号，但获得决定性的证据可能需要一台更强大的对撞机。

这种自相互作用的速度是我们理解宇宙的关键，Mccullough说。自相互作用的概率由希格斯场的势能在接近其最小值时的变化决定，这也是大爆炸刚结束时的状态。因此，了解希格斯粒子自相互作用或能帮助科学家理解早期宇宙的动力学变化，Mccullough说。Gröber指出，许多尝试解释物质为何比反物质多的理论，都假设希格斯粒子存在自相互作用，且这种作用与标准模型的预测最多相差30%。Mccullough说：“这个测量值的重要性怎么强调都不为过。”

希格斯玻色子的寿命是多少？

物理学家想知道希格斯粒子的寿命有多长，也就是它在衰变成其他粒子前平均能存在多久，因为与预测值的任何偏差都可能预示了它与未知粒子的交互作用，比如组成暗物质的粒子。但希格斯粒子的寿命太短，无法直接测量。

如果要间接测量，物理学家就要观察该粒子的能量在多个测量值（量子物理学认为该粒子能量的不确定度应与其寿命成反比）的分布，或称“宽度”。去年，CMS的物理学家得到了对希格斯粒子寿命的首个粗略测量值：2.1 × 10⁻²²秒[2]。该结果显示，其寿命与标准模型的预测是一致的。

有任何新奇的预测被证实了吗？

标准模型的一些扩展理论预言，希格斯玻色子并不是基本粒子，而是和质子一样，是由其他粒子组成的。还有理论认为，希格斯玻色子有好几种，这些粒子行为上相似但在电荷或自旋上稍有不同。除了验证希格斯粒子是否是标准模型粒子之外，LHC实验还将对其他理论预测的粒子属性进行验证，包括是否会衰变成不可能出现的粒子组合。

物理学家理解希格斯场的研究工作才刚起步，希格斯场的独特性质使其像是一扇通往新物理的大门，Florian说，“有很多值得我们振奋的空间。”

参考文献：

1. The CMS collaboration et al. J. High Energ. Phys. 2021, 148 (2021).

2. The CMS collaboration. Preprint at https://arxiv.org/abs/2202.06923 (2022).

原文以Happy birthday, Higgs boson! What we do and don’t know about the particle为标题发表在2022年7月4日《自然》的新闻版块上