希格斯眼中的上帝粒子

1、希格斯眼中的上帝粒子 歐洲核子中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的ATLAS探測器獲得了數(shù)據(jù)的模擬粒子路徑圖。（鳳凰科技配圖） 如果把物質(zhì)分割得越來越小，會(huì)發(fā)生什么？ 最終，你會(huì)得到構(gòu)成物質(zhì)的分子或者原子。但這些東西還能進(jìn)一步分解成電子和原子核。而原子核又可以繼續(xù)被分割成構(gòu)成它們的質(zhì)子和中子。它們的內(nèi)部則是夸克。 到了這一步，你就已經(jīng)抵達(dá)了標(biāo)準(zhǔn)模型（我們當(dāng)前的粒子物理學(xué)理論）之中，我們視為是基本的那一層面。不管你一開始分割的是什么物質(zhì)，到了這個(gè)地步，你都會(huì)得到一大堆夸克和一大堆電子之類的粒子。 夸克事實(shí)上還可以分成6種：構(gòu)成質(zhì)子和中子的是較輕的上夸克和下夸克，另外還有較重的奇夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克。電子

2、則屬于另外6種粒子構(gòu)成的另一個(gè)家族，即輕子：包括電子的兩種質(zhì)量更重的“表親”子和子，以及與它們一一對(duì)應(yīng)的3種幾乎沒有質(zhì)量的中微子。所有這12種物質(zhì)粒子，被統(tǒng)稱為“費(fèi)米子”，都各自擁有一種與它們完全相同、只是電荷相反的反物質(zhì)粒子。就是這樣了。物質(zhì)不可能再分割到比這些基本粒子更小了。 如此簡潔的基本粒子組合，與實(shí)驗(yàn)事實(shí)完美吻合，但其中隱藏著一個(gè)令人費(fèi)解的難題。所有這些物質(zhì)粒子都有一個(gè)屬性，被稱為“質(zhì)量”這是一種抗拒被移來移去的屬性。不同粒子的質(zhì)量各不相同，從質(zhì)量最輕的電子中微子到質(zhì)量最重的頂夸克，跨越超過11個(gè)數(shù)量級(jí)之多。這些質(zhì)量來自何方，為什么又如此千差萬別呢？ 破缺的對(duì)稱 在標(biāo)準(zhǔn)模型之中，構(gòu)成

3、物質(zhì)的費(fèi)米子通過作用力發(fā)生相互作用，而作用力是由另一大類被稱為“玻色子”的粒子傳遞的。以電磁力為例，是它使得原子能夠形成，驅(qū)動(dòng)電流在我們的電器中奔騰，而傳遞電磁力的玻色子則是光子。光子與物質(zhì)的相互作用取決于電荷的多寡：電子（攜帶1個(gè)負(fù)電荷）感受到的電磁力，就要強(qiáng)于夸克（攜帶- 或者+ 個(gè)電荷）。不帶電荷的中微子，根本感受不到電磁力。 夸克還擁有各自的“色荷”，被稱為膠子的粒子依據(jù)色荷產(chǎn)生強(qiáng)核力。這種力要比電磁力強(qiáng)得多，但奇怪的是，膠子本身也攜帶色荷，因而會(huì)彼此粘黏在一起。于是，我們從未見到過夸克和膠子以游離態(tài)的形式自由自在地漫游，只能在質(zhì)子和中子之類的粒子內(nèi)部才能看到它們強(qiáng)核力的作用范圍也不會(huì)

4、超出亞原子尺度的范疇。 至于標(biāo)準(zhǔn)模型中的第三種作用力，弱核力的強(qiáng)度相當(dāng)弱，但如果沒有它，驅(qū)動(dòng)太陽和其他恒星的放射性衰變就不會(huì)發(fā)生。這種力之所以微弱，大約是因?yàn)閿y帶這種力的粒子W玻色子和Z玻色子質(zhì)量 幾乎是質(zhì)子的100倍。創(chuàng)造出這樣的粒子需要大量能量。在通常條件下，如果可以的話，物質(zhì)粒子更愿意交換沒有質(zhì)量的光子來發(fā)生相互作用。 在極高的能量下，比如在宇宙誕生的最初一瞬間，或者粒子加速器的對(duì)撞當(dāng)中，這些差異就消失了。電磁力和弱核力，在日常生活中相差如此之巨的兩種作用力，變成了統(tǒng)一的“弱電力”。 弱電力分裂成電磁力和弱核力的過程，被稱為弱電對(duì)稱破缺，必定發(fā)生在宇宙早期的某一時(shí)刻。不管是什么導(dǎo)致了這一

5、過程的發(fā)生，它與質(zhì)量之謎都有著明顯的關(guān)聯(lián)。畢竟，通過這一機(jī)制，W玻色子和Z玻色子獲得了質(zhì)量。希格斯玻色子最初就是提出來解釋這個(gè)對(duì)稱為什么會(huì)破缺的。 概念的誕生 對(duì)稱破缺并不僅限于奇異的作用力。日常生活中我們都會(huì)遇到一個(gè)例子，那就是液體冷卻后變成固體。對(duì)于液體來說，從所有方向上看過去，它都是一樣的。而對(duì)于固體來說，沿著不同的軸向看過去，它的樣子會(huì)有明顯的區(qū)別。在這個(gè)過程中，前面這種廣義上的對(duì)稱狀態(tài)被后面這種不太對(duì)稱的狀態(tài)取代了。 上世紀(jì)60年代，粒子理論學(xué)家開始研究，能不能發(fā)展出一些工具來描述這種對(duì)稱破缺，以便應(yīng)用于不斷冷卻的宇宙。這絕非易事。固體或液體之中分子的相互作用，可以通過一套固定的參照

6、坐標(biāo)系來定義，然而由于愛因斯坦的廣義相對(duì)論，在宇宙之中你找不到這樣一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的參照系。 1964年，比利時(shí)理論學(xué)家羅伯特·布繞特（Robert Brout）和弗朗索瓦·恩格勒（Fran ois Englert）提出了量子場方程，這種場能夠彌漫于整個(gè)宇宙，在符合相對(duì)論的前提下產(chǎn)生弱電對(duì)稱破缺。英國物理學(xué)家彼得·希格斯（Peter Higgs）提出了同樣的方程，并且指出這個(gè)場中的漣漪會(huì)表現(xiàn)為一種新的粒子。同年稍晚些時(shí)候，杰拉德·古拉尼（Gerald Guralnik）、卡爾·哈庚（Carl Hagen）和湯姆·基博爾（Tom Kibble）

7、將這些概念整合成了一種更為現(xiàn)實(shí)的理論這就是標(biāo)準(zhǔn)模型的前身。 后來被稱為希格斯場的這個(gè)東西，它的中心思想就在于：即使處于最低能的狀態(tài)，空間也絕非空無一物。在空間中穿行的粒子或多或少會(huì)與這個(gè)場發(fā)生作用，這種作用使粒子在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了一種“粘黏”的特性，也就是質(zhì)量。W玻色子和Z玻色子通過與這個(gè)場的某種相互作用獲得了它們的質(zhì)量，費(fèi)米子則通過另外一種相互作用獲得了質(zhì)量。由于希格斯場不攜帶凈的電荷或者色荷，光子和膠子根本不與它發(fā)生作用，因此仍然沒有質(zhì)量。 這是個(gè)漂亮的花招。為了找出還有沒有更多的東西，我們需要曝光希格斯場，方法就是讓它產(chǎn)生漣漪，而那些漣漪會(huì)被我們看成為希格斯玻色 子。理論和實(shí)驗(yàn)的發(fā)展讓我們對(duì)

8、所需的能量有了一個(gè)很好的估計(jì)：希格斯玻色子的質(zhì)量必定介于大約100 GeV到400 GeV之間。我們需要找一個(gè)相當(dāng)巨大的機(jī)器才行。 新粒子現(xiàn)身 希格斯玻色子是短命的粒子，幾乎會(huì)在一瞬間就衰變成其他粒子。為了推斷出它的存在，我們必須測量這些衰變產(chǎn)物，尋找它們是從一個(gè)希格斯粒子衰變而來的證據(jù)。 幸運(yùn)的是，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言出了我們需要知道的、有關(guān)希格斯玻色子的一切除了它確切的質(zhì)量。對(duì)于每一個(gè)可能的質(zhì)量，我們能夠預(yù)言大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）中能夠產(chǎn)生的希格斯粒子的數(shù)量，并且預(yù)言它們會(huì)衰變成什么。 例如，希格斯粒子有時(shí)應(yīng)該會(huì)衰變成一對(duì)高能光子。由于粒子衰變時(shí)動(dòng)量守恒，這兩個(gè)光子的動(dòng)量就可以換算為產(chǎn)生這兩個(gè)光

9、子的粒子的質(zhì)量。許多現(xiàn)象都會(huì)產(chǎn)生一對(duì)光子，但如果我們專注于那些看上去像是希格斯玻色子產(chǎn)生的光子，然后把它們的動(dòng)量繪制在一張圖表上的話，在對(duì)應(yīng)于特定質(zhì)量的動(dòng)量數(shù)值上就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“鼓包”某種未知的粒子就會(huì)以這樣的形式顯現(xiàn)出來。ATLAS和CMS都在質(zhì)量相當(dāng)于大約125 GeV的位置上看到了這樣的鼓包。2012年7月4日，他們向全世界宣布了這一結(jié)果。 這并不是唯一的證據(jù)。希格斯玻色子還應(yīng)該會(huì)衰變成兩個(gè)Z玻色子，然后再進(jìn)一步衰變成兩個(gè)輕子。把這些輕子的動(dòng)量加在一起，在光子數(shù)據(jù)中相當(dāng)于同樣質(zhì)量的位置上，也產(chǎn)生出了一個(gè)峰值。W玻色子也提供了它們的證據(jù)。這些粒子衰變成為中微子，后者還沒有被檢測到，因此在這個(gè)

10、實(shí)驗(yàn)中還沒有出現(xiàn)明確的質(zhì)量鼓包。相反，我們只看到了更多的W玻色子衰變，數(shù)量比希格斯玻色子不存在的情況要多。 總而言之，這些證據(jù)剛好足夠達(dá)到宣稱發(fā)現(xiàn)的“5”黃金標(biāo)準(zhǔn)，表明這一發(fā)現(xiàn)大概只有1/3500000的可能性是隨機(jī)統(tǒng)計(jì)噪聲所造成的假象。在那之后，對(duì)于那里真的存在一個(gè)粒子，我們的確定性還在進(jìn)一步增長。不過，我們還必須進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)，才能確定它是不是我們所認(rèn)為的希格斯玻色子。 ATLAS和CMS 當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的ATLAS和CMS探測器的核心對(duì)撞時(shí)，它們會(huì)分解成構(gòu)成質(zhì)子的夸克和膠子，進(jìn)而衰變成朝各個(gè)方向四散奔逃的大量粒子。這些探測器的任務(wù)就是測量或者分辨這些碰撞產(chǎn)物。 每個(gè)探測器都由

11、一系列同心環(huán)構(gòu)成。距離碰撞點(diǎn)最近的同心環(huán)由半導(dǎo)體構(gòu)成。如果帶電粒子穿透這層半導(dǎo)體，被松散約束在這種材料的原子之中的電子就會(huì)被釋放出來，形成特定的電流，讓科學(xué)家能夠精確測量這些粒子的穿行路線。探測器周邊的磁場會(huì)彎曲這些帶電粒子的路線，彎曲的程度表明 了這些粒子的動(dòng)量。 再向外一個(gè)同心環(huán)，則由填充著液態(tài)氬（ATLAS）或者鎢酸鉛晶體（CMS）的探測器構(gòu)成。與這些探測器中密集排列的原子發(fā)生的碰撞，會(huì)讓大多數(shù)粒子停滯在其中，這些粒子減速時(shí)發(fā)出的光子可以用來測量那些粒子的能量，從而鑒別它們的身份。 電子較重的“表親”，也就是子，不會(huì)在這些探測器中止步，但更外一層同心環(huán)中的專用探測器會(huì)鑒別和測量它們。對(duì)于

12、更難以捉摸的中微子，則完全沒有進(jìn)行測量。它們的存在是通過統(tǒng)計(jì)碰撞中產(chǎn)生的所有其他粒子的動(dòng)量而推斷出來的。 每次都有許多質(zhì)子質(zhì)子同時(shí)發(fā)生碰撞，這些碰撞產(chǎn)生的粒子接近光速向外飛出，而需要仔細(xì)研究的碰撞必須盡快篩選出來，因?yàn)椴坏?0納秒之后，又會(huì)有另外兩束質(zhì)子在探測器的核心發(fā)生對(duì)撞。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)目前正在升級(jí)，升級(jí)完成之后，這個(gè)時(shí)間會(huì)縮短到25納秒。如此大量的數(shù)據(jù)，會(huì)傳送到世界各地被連接在一起的計(jì)算機(jī)中，經(jīng)由大量計(jì)算來鑒別希格斯玻色子是否存在。 大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī) 愛因斯坦提出的最著名的一個(gè)方程，E = mc2，將能量和質(zhì)量聯(lián)系在了一起。后果之一便是，當(dāng)大質(zhì)量粒子高速對(duì)撞在一起時(shí)，釋放出來的能量能夠用來

13、創(chuàng)造出其他的大質(zhì)量粒子。瑞士日內(nèi)瓦附近CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，已經(jīng)花了兩年時(shí)間，將能量高達(dá)4 TeV的質(zhì)子對(duì)撞在一起。將攜帶這么多額外能量的兩個(gè)質(zhì)子對(duì)撞在一起，理論上，你能夠創(chuàng)造出8000多個(gè)質(zhì)子。 LHC位于一條27千米長的隧道之內(nèi)。通常，它被描述為一個(gè)環(huán)，但實(shí)際上，它更像是一個(gè)邊角有些圓的八邊形。在直線段，強(qiáng)大的電磁場給兩束相對(duì)運(yùn)行的質(zhì)子束注入能量，每次經(jīng)過都會(huì)給它們加速。等到對(duì)撞時(shí)，它們的速度已經(jīng)達(dá)到了光速的99.999999991%。 要弄彎如此高速運(yùn)動(dòng)的粒子束，你需要非常強(qiáng)大的磁鐵。電阻帶來的任何能量損失，都會(huì)成為運(yùn)行時(shí)的短板，因此磁鐵必須由超冷的超導(dǎo)材料制成。即使如此，它們也只能

14、把粒子束弄彎一點(diǎn)點(diǎn)這就是LHC被建造得如此巨大的原因所在。 在八邊形的4個(gè)邊上，更多磁鐵將質(zhì)子束約束到還不到人頭發(fā)絲粗細(xì)，然后讓它們迎頭相撞。4個(gè)大型探測器：ATLAS、CMS、LHCb和ALICE，會(huì)在各個(gè)碰撞點(diǎn)上記錄碰撞結(jié)果。ATLAS和CMS是全功能探測器，設(shè)計(jì)用來測量到底撞出了什么東西包括搜尋轉(zhuǎn)瞬即逝的希格斯玻色子。 尚未回答的問題 標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)巨大的成功。然而，就算有了希格斯玻色子為它加冕，它也仍然是不完整的。引力在標(biāo)準(zhǔn)模型中明顯缺席，而且它也無法解釋暗物質(zhì)這種東西只能通過它的引力作用在天文觀測中被察覺到。接下來還 有一個(gè)謎題：為什么物質(zhì)會(huì)比暗物質(zhì)多這么多，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言，它們的

15、數(shù)量應(yīng)該差不多是相等的。 粒子物理學(xué)的下一步，必須要解釋這些謎題。比如，我們有可能在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的質(zhì)子碰撞中產(chǎn)生出暗物質(zhì)粒子，或者在深埋于礦井和坑道之中的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中避開宇宙線的干擾而搜尋暗物質(zhì)粒子的蹤跡。另一種途徑是，我們或許可以觀察空間中兩個(gè)暗物質(zhì)粒子湮滅而產(chǎn)生的高能粒子來間接地觀察暗物質(zhì)，比如正在國際空間站上展開實(shí)驗(yàn)的阿爾法磁譜儀（AMS）。 至于反物質(zhì)，CERN的實(shí)驗(yàn)或許可以制造并且存貯它們，我們甚至在正電子發(fā)射斷層掃描儀（PET）中利用它們來幫助醫(yī)生診斷癌癥。LHCb實(shí)驗(yàn)裝置會(huì)檢測質(zhì)子質(zhì)子碰撞中產(chǎn)生的短命粒子的衰變，尋找反物質(zhì)粒子何以如此稀少的證據(jù)。 中微子也可能會(huì)提供一些幫助。

16、這些幽靈一般的粒子在空間中穿行時(shí)，會(huì)在3種中微子之間相互變換。在中國和韓國之間測量不同中微子混合程度的實(shí)驗(yàn)暗示，正反物質(zhì)的失衡可能也存在于中微子當(dāng)中。自然界中觀察到的正反物質(zhì)差異，和標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言之間存在的巨大鴻溝，或許可以借此得以彌補(bǔ)。 更古怪的是，中微子的質(zhì)量甚至有可能根本不是通過希格斯機(jī)制獲得的。因?yàn)橹形⒆硬粩y帶任何的“荷”，它自己就是自己的反物質(zhì)。果真如此的話，它的質(zhì)量可能來自于它與自身的相互作用，而并非來自于它同希格斯場的相互作用。靈敏的地下實(shí)驗(yàn)裝置正在尋找極其罕見的核衰變，那些衰變或許會(huì)告訴我們答案。 符合標(biāo)準(zhǔn)模型嗎？ 如果承認(rèn)已經(jīng)誘捕到的就是希格斯玻色子，我們就沒有任何轉(zhuǎn)還的余地

17、了因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)預(yù)言了關(guān)于它的所有一切。 盡管我們相當(dāng)確定，新發(fā)現(xiàn)的粒子正如希格斯粒子那樣會(huì)衰變成攜帶作用力的玻色子，但我們還不太確定它會(huì)不會(huì)衰變成構(gòu)成物質(zhì)的費(fèi)米子。在更為罕見（或者說隱藏更深）的衰變中，希格斯粒子會(huì)衰變成底夸克、子，甚至子。升級(jí)之后的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)應(yīng)該能夠精確地測量這些衰變。 標(biāo)準(zhǔn)模型還對(duì)希格斯粒子應(yīng)該如何與頂夸克發(fā)生相互作用給出了明確的預(yù)言。（希格斯粒子無法衰變成頂夸克，因?yàn)轫斂淇颂亓?。）任何不同于預(yù)言的偏差，都將為新物理學(xué)提供一絲跡象。 最讓人捉急的問題在于這個(gè)粒子的質(zhì)量。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，希格斯粒子與它自身及周圍粒子的相互作用似乎暗示，它應(yīng)該擁有巨大的質(zhì)量。但大型強(qiáng)子對(duì)

18、撞機(jī)中發(fā)現(xiàn)的這個(gè)粒子，質(zhì)量要小得多。 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型加以“微調(diào)”，讓兩個(gè)巨大的數(shù)字幾乎（但又不完全）相互抵消，應(yīng)該能夠解決這個(gè)問題，使得希格斯 粒子擁有較小的質(zhì)量。但許多人不喜歡這種修正，認(rèn)為這樣的修正讓理論變得有點(diǎn)不自然了。 一個(gè)受人歡迎的提議能夠解決這個(gè)問題，那就是超對(duì)稱。這種理論通過費(fèi)米子和玻色子之間的一種對(duì)稱，擴(kuò)展了標(biāo)準(zhǔn)模型。它預(yù)言了一大批新粒子，每一個(gè)玻色子都有一個(gè)費(fèi)米子與它對(duì)應(yīng)，反之亦然。這些新粒子之間的相互作用，能夠自然而然地抵消使得希格斯粒子質(zhì)量增大的那些因素。 問題在于，不論是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，還是任何其他設(shè)備，目前都還沒有看到任何證據(jù)表明存在這些粒子事實(shí)上，它們沒有找到任何證據(jù)支持任何超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論所作的預(yù)言。如果我們找到了一個(gè)希格斯粒子，卻沒有找到任何其他東西，或許我們就必須承認(rèn)，自己生活在一個(gè)看似有點(diǎn)不太自然的世界之中。又或者，我們只是漏過了標(biāo)準(zhǔn)模型自身的某些細(xì)微之處。而最讓人激動(dòng)人心的事情莫過于，在標(biāo)準(zhǔn)模型之外還有另一層全新的宇宙結(jié)構(gòu)在等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。 是希格斯粒子嗎？ 等到大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)在201