希格斯玻色子的意义

图片来源：《环球科学》2012年10月刊前沿专栏

这种新粒子的发现解开了一个旧谜题，却又引发了一个新谜题。

撰文 | 罗伯特· 伽里斯托（Robert Garisto）阿布舍克· 阿加瓦尔（Abhishek Agarwal）

翻译 | 王栋

今年7月4日，当欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（Large Hadron Collider）研究组宣布发现了一种新粒子时，他们并没有称其为“希格斯玻色子”。这并不仅仅是科学家们特有的谨慎。它还意味着，这一声明标志着一个意义深远时刻的到来。我们抵达了一个长达数十年的理论、实验和技术“长征”的终点，而同时，这又是物理学新纪元的起点。

对这种粒子的探寻，始于英国爱丁堡大学物理学家彼得· 希格斯（Peter Higgs）在1964年发表的一篇论文中的描述。在当时，描述所有已知基本粒子的理论（现称为粒子物理标准模型）才刚刚开始组建。标准模型提出了数百条可经实验证明的预言，并且，在它出现后的几十年里，每次实验的结果都证明了其正确性。希格斯玻色子是标准模型这个“拼图”中缺失的最后一块，它能将现在所有已知的物质粒子（费米子）和传递力的粒子（玻色子）联系到一起。它为我们描绘了一幅亚原子世界如何运作的引人入胜的画面，但我们还不知道，这幅画是否仅仅是更为广阔的画面中的一部分。

标准模型部分基于电弱对称性，这种对称性将电磁力和弱力统一了起来。然而，传递这两种力的粒子质量相差巨大，显示出对称性的破缺。这就需要理论物理学家们来解释这两种力之间为什么会存在如此大的差距。1964年，在《物理评论快报》上，分别由希格斯（Higgs），弗朗克斯·恩格勒特（François Englert）和罗伯特· 布劳特（Robert Brout），杰拉尔德· 古拉尔尼克（Gerald Guralnik）、卡尔·哈根（Carl Hagen）和汤姆· 基布尔（Tome Kibble）

发表的三篇不同论文，向我们展示了一片无处不在的“量子海洋”。它被称为“零自旋场”（spin-0 field），能够解决对称性破缺的问题。希格斯提到，这片海洋中存在的波动对应着一种新粒子——一种后来以他的名字命名的玻色子。

作为标准模型的关键之钥，这种粒子或许是最难被发现的———它需要建造更大的对撞机，来产生足够数量、足够高能量的碰撞。然而，即便完成了标准模型，也并没有解决粒子物理学的全部问题。实际上，希格斯粒子的发现或许指引了一条道路，让我们能抵达这一宏伟理论之外更为广阔的领域。

实验物理学家们仍需要进一步确认这种新粒子的确是零自旋的希格斯玻色子。下一步，他们必须以极高的精度测试希格斯粒子如何同其他粒子相互作用。直到撰写这篇报道时，它的耦合行为同理论预言还不是十分吻合，这或许只不过是统计波动，也可能是还有一些更深层效应存在的迹象。与此同时，实验物理学家们还需要继续测量记录数据，来看看是否有不止一种希格斯玻色子存在。

这些测量都很重要，因为理论物理学家们已经建立起了许多假想模型，以将标准模型置入一个更广阔的物理框架中，而且这些假想模型中的许多都预言了多种希格斯粒子的存在，或同一般耦合行为的偏差。这些模型中包括额外的费米子，额外的玻色子，甚至空间的额外维度。最受关注的更大尺度的理论框架是超对称性，它假想每一种已知的费米子都有一个未被发现的伴随玻色子，每一种已知的玻色子都有一个未被发现的伴随费米子。如果超对称性正确的话，将不只有一个希格斯玻色子，而是至少五个。所以，我们只是刚刚开始探索一个全新的领域。

本文作者 伽里斯托和阿加瓦尔是物理学期刊《物理评论快报》的编辑。

本文选自《环球科学》2012年10月刊前沿专栏。

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