物理学仍然隐藏在希格斯玻色子中

自2012年希格斯玻色子发现以来,大型强子对撞机还没有发现新的粒子,但物理学家表示,我们仍可以从希格斯玻色子本身中学到很多东西。

物理学仍然隐藏在希格斯玻色子中

大型强子对撞机2018年的碰撞事件似乎产生了希格斯玻色子和Z玻色子。这两个灰色的锥代表从底部衰变的粒子射流和从希格斯粒子衰变的反底部夸克。绿线表示电子和正电子,它们很可能是从Z玻色子衰变而来。

2012年,粒子在大型强子对撞机长达27公里的环形隧道中相撞,产生了希格斯玻色子。希格斯玻色子是粒子物理学标准模型预测的最后一个失踪粒子,也是维系数十年方程式的关键所在。

但是在大型强子对撞机上还没有其他新粒子出现,这就给宇宙留下了许多标准模型无法解释的谜团。一场关于是否要建造一个更大的大型强子对撞机的继承者的争论接踵而至。大型强子对撞机是一种设想中的周长100公里的机器,可能在瑞士或中国建造。

物理学家说,我们仍然可以从希格斯玻色子本身中学到很多东西。目前所知的是,该粒子的存在证实了一个已有55年历史的宇宙质量起源理论。这一发现为彼得·希格斯(Peter Higgs)和弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)赢得了2013年的诺贝尔奖,他们是上世纪60年代提出这种大规模生成机制的六位理论家中的两位。这个机制包括一个贯穿整个空间的场。希格斯粒子是这个希格斯场中的一个波纹,或量子涨落。由于量子力学将粒子和自然场缠结在一起,希格斯场的存在会溢出到其他量子场;正是这种耦合赋予了它们相关联的粒子质量。

但物理学家对无处不在的希格斯场知之甚少,对早期宇宙中决定性的时刻也知之甚少,当时希格斯场突然从处处为零(或者换句话说,不存在)转变为当前的一致值状态。这种转移,或称“对称性破坏”事件,立即使夸克、电子和许多其他基本粒子变得巨大,从而导致它们形成原子和宇宙中所有其他结构。

但是为什么呢?“为什么宇宙会决定让希格斯粒子到处存在?”这是一个非常非常大的问题,”欧洲核子研究中心(CERN)粒子理论家米开朗基罗·曼加诺(Michelangelo Mangano)说。

物理学家想知道希格斯玻色子打破对称性的事件是否在创造宇宙物质-反物质不对称中起了作用。反物质不对称是一个无法解释的事实,即存在的物质比反物质多得多。另一个问题是,希格斯场当前的值是稳定的,还是可能突然再次发生变化——这一令人不安的前景被称为“真空衰变”。“希格斯场的价值可以被认为是一个停在山谷底部的球。问题是,在定义场可能值的数学曲线中还有更深的谷吗?如果是这样的话,这个球最终将通过隧道进入更低、更稳定的山谷,这与希格斯场能量的下降相对应。一个更稳定的“真正真空”的气泡会不断膨胀,包围我们一直生活在其中的“虚假真空”,消灭一切。

希格斯场不仅与宇宙的起源和命运有关,而且希格斯粒子的行为还能揭示它与之相互作用的隐藏的或其他未知的粒子——也许这些粒子构成了宇宙中缺失的暗物质。在粒子对撞机中,当粒子以接近光速相撞时,它们的动能转化为物质,偶尔会形成重粒子,如希格斯玻色子。然后,这个希格斯粒子迅速转变成其他粒子,比如一对顶夸克或W玻色子,每种结果的概率取决于希格斯粒子与每种粒子耦合的强度。精确地测量这些不同希格斯玻色子衰变的概率,并将这些数字与标准模型预测进行比较,就会发现是否遗漏了什么,因为概率之和必须等于1。

“我们对(希格斯粒子)研究得越多,就越可能发现,整个故事可能并不完全符合我们的预期,这将导致新的物理学,”哈佛大学(Harvard University)粒子物理学家梅丽莎富兰克林(Melissa Franklin)说。“从实验的角度来看,我们只是想做一堆,看看会发生什么。”

这也是她和她的许多同事想要制造一台更大、更好的机器的原因之一。拟议中的超级对撞机的第一阶段被戏称为“希格斯工厂”(Higgs factory),因为这台机器将用精确调整过的能量撞击电子和正电子,以最大限度地提高它们产生希格斯玻色子的几率。在第二阶段,这个巨大的机器将质子猛烈撞击在一起,导致更混乱但能量更高的碰撞。

物理学仍然隐藏在希格斯玻色子中

用大型强子对撞机,大多数希格斯玻色子与其他标准模型粒子的耦合已经被测量出大约20%的精确度,但是未来的对撞机,通过制造更多的希格斯玻色子,可以将这些数字精确到1%。这将给物理学家们一个更好的感觉:是概率增加到1,还是希格斯玻色子偶尔会衰变成隐藏的粒子。与希格斯粒子耦合的额外粒子出现在标准模型之外的许多物理学理论中,包括“双希格斯粒子”和“弛豫粒子”模型。粒子物理学家马特·斯特拉斯勒(Matt Strassler)说:“不幸的是,有太多的模型和参数,不可能有一个不输的定理。”

也许物理学家想要确定的最重要的耦合被称为三重希格斯耦合——本质上是希格斯玻色子与自身相互作用的强度。这个数字是通过计算尚未在大型强子对撞机(LHC)上看到的罕见事件来衡量的。在这些罕见事件中,希格斯玻色子衰变为两个自身。标准模型对三次希格斯玻色子耦合的值进行了预测,因此,与该预测的任何测量偏差都将表明,影响希格斯玻色子的新粒子不包括在标准模型中。

测量三次希格斯耦合也将揭示定义希格斯场的不同可能值的数学曲线的形状,有助于确定我们宇宙的真空是稳定的还是仅仅是亚稳态的——稳定在曲线的局部而不是全局最小值。如果标准模型对耦合的预测是正确的,那么宇宙就是亚稳态的,注定要在数十亿年或数万亿年后衰变。这没什么好担心的,而是一个关于我们宇宙更大故事的重要线索。匹兹堡大学(University of Pittsburgh)的粒子物理学家塞德里克·韦兰德(Cedric Weiland)研究了三次希格斯玻色子耦合,他说,揭示宇宙命运的能力是“未来对撞机实验项目的核心”。

Weiland说,有了希格斯粒子工厂,物理学家们就可以测量出三次希格斯粒子耦合的精确度达到44%。第二阶段质子-质子对撞机可以将其价值控制在5%以内。

人们的基本预期是,未来对撞机的测量结果将简单地证实标准模型,尽管它对物理宇宙的描述并不完整,但令人沮丧的是,标准模型似乎牢不可破。一些物理学家不愿在一台机器上投资数十亿美元,因为这台机器可能只是为我们现有的一组方程增加了更多的小数点精度。

未来几年,物理学家和资助机构将积极讨论大型强子对撞机继任者的价值。是否要花费20年时间和数十亿美元建造一个周长100公里的对撞机取决于它的发现潜力。过去的对撞机一个接一个地碰撞出标准模型的拼图。但随着这个谜题的完成,并不能保证未来的机器会发现任何新东西,这让物理学家陷入了一个两难的境地:是建造还是不建造?