“上帝粒子”發(fā)現(xiàn)以后，粒子化學(xué)學(xué)家還在期盼哪些？
虎嗅.08.0216:44
六年前，2012年7月4日，法國(guó)核子研究中心（CERN）宣布發(fā)覺(jué)希格斯粒子。這個(gè)也稱“上帝粒子”的基本物質(zhì)對(duì)學(xué)術(shù)界和公眾都形成了巨大影響——它最終的發(fā)覺(jué)印證了60年前的理論預(yù)言，被覺(jué)得彌補(bǔ)了粒子化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型最后一塊空白；同時(shí)登上世界各地媒體的頭條，宣告了基礎(chǔ)數(shù)學(xué)學(xué)的又一次勝利。但是，標(biāo)準(zhǔn)模型的不完美使許多問(wèn)題仍未有答案，六年間粒子化學(xué)學(xué)家并沒(méi)有再度迎來(lái)這樣的勝利，只是看見(jiàn)些許“裂痕”，她們還在期盼希格斯粒子能給與更多的答案。
本文來(lái)自陌陌公眾號(hào)：返樸（ID：），作者：瞿立建，原文標(biāo)題：《希格斯粒子發(fā)覺(jué)以后，粒子化學(xué)學(xué)家還在期盼哪些？》，題圖：諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)得主彼得·希格斯，圖片來(lái)自
2012年7月4日，法國(guó)核子研究中心（CERN），粒子化學(xué)學(xué)家濟(jì)濟(jì)一堂，來(lái)聽(tīng)一次非同尋常的學(xué)術(shù)報(bào)告——發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的報(bào)告。實(shí)驗(yàn)結(jié)果在幻kt板上呈現(xiàn)下來(lái)時(shí)，會(huì)場(chǎng)掌聲雷動(dòng)，與會(huì)者激動(dòng)的內(nèi)心似乎感遭到了希格斯場(chǎng)，忽然沉甸甸的，為自身能參與創(chuàng)造這樣的歷史時(shí)刻而興奮。
法國(guó)核子中儒學(xué)術(shù)報(bào)告廳里科學(xué)家歡聲雷動(dòng)
現(xiàn)場(chǎng)之外，世界各地的粒子化學(xué)學(xué)家通過(guò)視頻直播見(jiàn)證這一時(shí)刻。
日本電子加速器比薩研究中心的化學(xué)學(xué)家在觀看視頻直播
日本費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)學(xué)家，舍棄獨(dú)立日放假，午夜收看視頻直播。
對(duì)這一純科學(xué)發(fā)覺(jué)興奮不已的不僅僅有科學(xué)家，還有普通公眾。
一、公眾反響
報(bào)告會(huì)以后，CERN舉行新聞發(fā)布會(huì)，向公眾披露這一純數(shù)學(xué)新聞，各大報(bào)紙頭版頭條給以報(bào)導(dǎo)。其他傳媒也涌入這個(gè)選題，出版社推出多種相關(guān)的科普書(shū)，多部位列暢銷書(shū)榜，電視臺(tái)約請(qǐng)各路科學(xué)家步入演播室，向聽(tīng)眾釋疑解惑，多部相關(guān)紀(jì)錄片在大小屏幕播放。
CERN搜集的世界各大報(bào)對(duì)發(fā)覺(jué)希格斯玻骰子新聞的報(bào)導(dǎo)
希格斯玻骰子成了當(dāng)初最熱門的公眾話題，科學(xué)和科普交相映襯。次年，希格斯玻骰子相關(guān)理論的兩位提出者，美國(guó)數(shù)學(xué)學(xué)家希格斯（PeterHiggs）和德國(guó)化學(xué)學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒（Fran?ois），共同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，再度將“上帝粒子”的盛會(huì)推向。
為什么有此等盛況？這與科學(xué)家和科普詩(shī)人在多年前提早的“布局”和預(yù)熱有很大關(guān)系。
早在1993年，諾貝爾獎(jiǎng)得主利昂·萊德曼及其專著者出版了科普書(shū)《上帝粒子》（TheGod），這本書(shū)讓人提到希格斯粒子言必稱上帝粒子。
《上帝粒子》（TheGod）第一版，1993年
《上帝粒子》中文版，2003年
還有另外一個(gè)風(fēng)波迸發(fā)了公眾的想像力。
1993年，加拿大科學(xué)重臣征集面向公眾的希格斯場(chǎng)和希格斯粒子最佳解釋，獎(jiǎng)勵(lì)為一瓶香檳。最終巴黎學(xué)院大學(xué)的大衛(wèi)·米勒院長(zhǎng)博得了這瓶香檳。米勒院士把希格斯場(chǎng)稱作一群摩肩蜂擁的雞尾酒會(huì)出席者，一個(gè)普通人可以輕松穿過(guò)人群，而一個(gè)大咖走來(lái)，會(huì)頓時(shí)吸引人圍過(guò)來(lái)，大咖穿過(guò)人群就會(huì)很費(fèi)力。希格斯場(chǎng)與粒子作用與之類似：粒子會(huì)吸引希格斯場(chǎng)過(guò)來(lái)，減低自己的行進(jìn)速率，降低得越多，代表希格斯場(chǎng)賦給該粒子的質(zhì)量越大。
希格斯場(chǎng)可類比為雞尾酒會(huì)出席者
這個(gè)類比可能會(huì)讓普通人認(rèn)為自己也懂希格斯機(jī)制了。
然而，這種事情只能解釋西方人對(duì)希格斯的熱情，難以解釋世界其他地方——比如中國(guó)——人們對(duì)發(fā)覺(jué)希格斯粒子相關(guān)科學(xué)新聞的熱情。雖然《上帝粒子》的英文版也不是暢銷書(shū)，雞尾酒會(huì)上不擼串，更不會(huì)對(duì)“上帝”感興趣。這說(shuō)明一件事：公眾對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)的好奇心和熱情超出我們的刻板印象。
希格斯粒子研究在學(xué)界和公眾里都迎來(lái)了高光時(shí)刻。相關(guān)研究是不是就此落幕？
并不是。
對(duì)希格斯玻骰子的研究如同探寶，找到希格斯粒子知識(shí)就找到了寶藏，但還沒(méi)有把寶物挖掘下來(lái)。過(guò)去六年里，粒子化學(xué)學(xué)家們一直保持著最初的激動(dòng)，進(jìn)行著探寶活動(dòng)。粒子化學(xué)學(xué)家希望挖到的寶物是，能解決標(biāo)準(zhǔn)模型還不能給出標(biāo)準(zhǔn)答案的一些問(wèn)題，例如暗物質(zhì)是哪些？物質(zhì)為何比反物質(zhì)多？宇宙怎么起源并邁向何種命運(yùn)？
標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子。紅色部份為夸克，夸克有6種味，每種味有3種色，每種夸克都有反夸克，總計(jì)36種夸克。紅色部份為輕子，輕子有6種味，沒(méi)有色，有反粒子，總計(jì)12種輕子。圖中夸克和輕子排成3列，每一列構(gòu)成物質(zhì)的一代。夸克和輕子左側(cè)一列是規(guī)范玻骰子，其中膠子有8種色，沒(méi)有反粒子，光子和Z玻骰子各只有一種，W玻骰子有反粒子，總計(jì)2種。最右側(cè)粒子是希格斯玻骰子，只有1種。標(biāo)準(zhǔn)模型總計(jì)61種基本粒子
如今，我們瞧瞧，未來(lái)都會(huì)有哪些大新聞。
二、耦合
希格斯粒子通過(guò)與粒子的互相作用——物理學(xué)家稱為“耦合”來(lái)賦于其他粒子以質(zhì)量，耦合硬度不同，粒子也就有了不同的質(zhì)量。例如目前為止，所有檢測(cè)都與標(biāo)準(zhǔn)模型一致，這帶給化學(xué)學(xué)家更多的不是開(kāi)導(dǎo)，而是疑慮。粒子為何有它們各自這些質(zhì)量？
標(biāo)準(zhǔn)模型里粒子的質(zhì)量的值是化學(xué)學(xué)家悉心賦于的，而不是從理論中推論下來(lái)的。粒子化學(xué)是一個(gè)很有“野心”的領(lǐng)域，要闡明世界最基本的運(yùn)行法則，得到萬(wàn)事萬(wàn)物的理論。結(jié)果，重要的參數(shù)是悉心選購(gòu)的，豈不是很挖苦？如同你要發(fā)展一個(gè)萬(wàn)有引力理論，、天體、人各自滿足不同的吸引力規(guī)則。這不是萬(wàn)有引力理論，這是獨(dú)有引力理論。
以電子、陶子（tauon）、繆子（muon）為例，談?wù)劵瘜W(xué)學(xué)家所疑慮的問(wèn)題。
標(biāo)準(zhǔn)模型里，這三種粒子惟一的不同是質(zhì)量不同，即它們與希格斯粒子的耦合硬度不同。有些化學(xué)學(xué)家推測(cè)，粒子還有更深層次的結(jié)構(gòu)，對(duì)希格斯粒子與其他粒子的耦合做細(xì)致地檢測(cè)，有望出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型難以解釋的結(jié)果，從而沿著此線索，發(fā)展出更基本的理論。
實(shí)驗(yàn)上檢測(cè)耦合的方式是觀察希格斯粒子的形成和衰變。
希格斯粒子被發(fā)覺(jué)的時(shí)侯就確定出希格斯粒子與其他玻骰子的耦合。2016年，實(shí)驗(yàn)上確定出了希格斯子與陶子的耦合。這種實(shí)驗(yàn)都沒(méi)有給出預(yù)期之外的結(jié)果。
不過(guò)，希望還沒(méi)有完全破滅。
2018年，化學(xué)學(xué)家在實(shí)驗(yàn)上做了頂夸克、反頂夸克與希格斯粒子的耦合。頂夸克是最重的基本粒子，與希格斯粒子耦合最強(qiáng)。偏離標(biāo)準(zhǔn)模型的明顯現(xiàn)象更可能出現(xiàn)于此。遺憾的是，2018年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然沒(méi)有哪些驚喜。
令人失望。
沒(méi)有意外的結(jié)果，一個(gè)可能的誘因是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差還比較大，假如實(shí)驗(yàn)精度增強(qiáng)，恐怕都會(huì)發(fā)覺(jué)不符合預(yù)期的現(xiàn)象。
然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也使化學(xué)學(xué)家越來(lái)越認(rèn)為一個(gè)大膽的看法很靠譜：希格斯粒子可能不止一種，或可能有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
三、孤單粒子
粒子化學(xué)學(xué)家對(duì)于解決標(biāo)準(zhǔn)模型的缺點(diǎn)有一個(gè)非常看好的方案：超對(duì)稱。在超對(duì)稱理論中，每位粒子都有一個(gè)伙伴粒子。LHC開(kāi)機(jī)之前，化學(xué)學(xué)家希望LHC能發(fā)覺(jué)這樣的伙伴粒子。但是，到目前為止，一無(wú)所獲。超對(duì)稱理論雖然還沒(méi)有被完全排除，但留給它的希望不太多了。
趕超標(biāo)準(zhǔn)模型的理論不止超對(duì)稱，目前還看不出那個(gè)理論最有希望勝出。化學(xué)學(xué)家希望檢測(cè)希格斯粒子的性質(zhì)，能闡明出標(biāo)準(zhǔn)模型之外的東西，為新數(shù)學(xué)指引方向。
化學(xué)學(xué)家正在探究的希格斯粒子的一個(gè)性質(zhì)是，它是不是獨(dú)一無(wú)二的。
希格斯粒子變得孤獨(dú)
其他基本粒子都有載流子，而希格斯粒子載流子為零。載流子為零的玻骰子稱為“標(biāo)量粒子”。
其他粒子都有近親，希格斯玻骰子是不是也應(yīng)當(dāng)有標(biāo)量近親？超對(duì)稱理論物理學(xué)家丁肇中因發(fā)現(xiàn)哪一種粒子，以及其他一些理論就預(yù)言，存在多種希格斯粒子。有粒子化學(xué)學(xué)家推測(cè)，希格斯粒子可能只是我們發(fā)覺(jué)的第一個(gè)標(biāo)量粒子，其實(shí)存在一個(gè)標(biāo)量粒子家族，等待我們?nèi)グl(fā)覺(jué)。
也有可能，希格斯粒子不是基本粒子，是由更基本的粒子組成的。有些粒子組合上去，可以組成零載流子的粒子，例如兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成的α粒子，由夸克粒子組成的π介子。
粒子化學(xué)里近來(lái)還有些令人困擾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能與希格斯粒子的性質(zhì)有關(guān)。
2021年，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室報(bào)導(dǎo)的繆子磁性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言不符。2022年4月，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室報(bào)導(dǎo)稱，W玻骰子的質(zhì)量小于標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言。
這種困局的答案，恐怕就隱藏在希格斯粒子中。它是標(biāo)準(zhǔn)模型中最晚發(fā)覺(jué)的粒子，是研究最少的粒子，也是我們破解物質(zhì)世界終極奧秘的希望所在。
四、自耦合
希格斯粒子與自身有沒(méi)有互相作用，即會(huì)不會(huì)自耦合？
希格斯自耦合還未進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。理論化學(xué)學(xué)家期盼著相關(guān)檢測(cè)，相信一定會(huì)帶來(lái)新的數(shù)學(xué)。
希格斯自耦合與希格斯勢(shì)密切相關(guān)。希格斯勢(shì)是一個(gè)函數(shù)，描述希格斯場(chǎng)的能量。這個(gè)函數(shù)的圖形像個(gè)卷檐帽，俗稱法國(guó)帽。
希格斯勢(shì)的圖形像法國(guó)帽。在宇宙初期，宇宙處于帽頂處，然后宇宙會(huì)漸漸演變到禮帽的溝里，在這個(gè)過(guò)程中，各基本粒子獲得了質(zhì)量。
在宇宙初期，剛形成希格斯場(chǎng)的時(shí)侯，希格斯勢(shì)決定了基本粒子怎樣獲得質(zhì)量。對(duì)粒子怎樣從沒(méi)有質(zhì)量顯得有質(zhì)量的研究，這有助于理解宇宙中物質(zhì)為什么少于反物質(zhì)。
宇宙誕生初期，希格斯場(chǎng)飾演了哪些樣的角色，答案在希格斯勢(shì)里。
依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，由希格斯粒子和頂夸克的質(zhì)量，可以確定出希格斯勢(shì)的一級(jí)近似結(jié)果。從目前的結(jié)果看，幾十億年前，宇宙步入了希格斯勢(shì)一個(gè)局域極小值點(diǎn)，而非全局極小值點(diǎn)，意思是宇宙是亞穩(wěn)態(tài)的；未來(lái)宇宙會(huì)步入另一更小的極小值點(diǎn)，即發(fā)生相變，基本粒子質(zhì)量驟然而變，我們現(xiàn)在所熟悉的宇宙會(huì)面目全非。
不過(guò)，如今還何必消極，有些趕超標(biāo)準(zhǔn)模型的理論預(yù)言了一些粒子及其互相作用物理學(xué)家丁肇中因發(fā)現(xiàn)哪一種粒子，讓希格斯場(chǎng)呈現(xiàn)另外的面貌，拯救宇宙的命運(yùn)。
標(biāo)準(zhǔn)模型得到的宇宙的穩(wěn)定性，中間黑點(diǎn)為當(dāng)前的檢測(cè)結(jié)果，三個(gè)橢圓的面積分別對(duì)應(yīng)1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。
要了解宇宙的過(guò)去和未來(lái)，關(guān)鍵線索在于希格斯勢(shì)。希格斯粒子自耦合實(shí)驗(yàn)會(huì)讓我們更確切了解希格斯勢(shì)。
要進(jìn)行希格斯粒子自耦合實(shí)驗(yàn)，須要形成成對(duì)的希格斯粒子。在LHC中，形成1000個(gè)單個(gè)的希格斯粒子，才可能形成一組希格斯粒子對(duì)。自耦合實(shí)驗(yàn)難度極大。
LHC正在升級(jí)為高色溫小型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（HighLarge，HL-LHC），但也只是將數(shù)據(jù)量提高了10倍，對(duì)于自耦合實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，偏差仍然很大，但有可能形成個(gè)別相關(guān)的現(xiàn)象。
高能化學(xué)學(xué)界在力推多個(gè)更強(qiáng)悍的對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目，如中國(guó)的環(huán)型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（，CEPC）、日本的國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)（，ILC）、歐洲的未來(lái)環(huán)型對(duì)撞機(jī)（，F(xiàn)CC）和緊湊型直線對(duì)撞機(jī)（，CLIC）等，這種對(duì)撞機(jī)只要有一座能建成，將能細(xì)致檢測(cè)希格斯粒子與其他粒子的性質(zhì)，有可能發(fā)覺(jué)超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新數(shù)學(xué)的線索。
見(jiàn)證其中之一建成，最快也要等六年以上。
這就是粒子數(shù)學(xué)，除了須要聰明才智、金錢投入，還須要有耐心。
參考資料