“上帝粒子”發現以后，粒子化學學家還在期盼哪些？
虎嗅.08.0216:44
六年前，2012年7月4日，法國核子研究中心（CERN）宣布發覺希格斯粒子。這個也稱“上帝粒子”的基本物質對學術界和公眾都形成了巨大影響——它最終的發覺印證了60年前的理論預言，被覺得彌補了粒子化學標準模型最后一塊空白；同時登上世界各地媒體的頭條，宣告了基礎數學學的又一次勝利。但是，標準模型的不完美使許多問題仍未有答案，六年間粒子化學學家并沒有再度迎來這樣的勝利，只是看見些許“裂痕”，她們還在期盼希格斯粒子能給與更多的答案。
本文來自陌陌公眾號：返樸（ID：），作者：瞿立建，原文標題：《希格斯粒子發覺以后，粒子化學學家還在期盼哪些？》，題圖：諾貝爾化學學獎得主彼得·希格斯，圖片來自
2012年7月4日，法國核子研究中心（CERN），粒子化學學家濟濟一堂，來聽一次非同尋常的學術報告——發現希格斯粒子的實驗結果的報告。實驗結果在幻kt板上呈現下來時，會場掌聲雷動，與會者激動的內心似乎感遭到了希格斯場，忽然沉甸甸的，為自身能參與創造這樣的歷史時刻而興奮。
法國核子中儒學術報告廳里科學家歡聲雷動
現場之外，世界各地的粒子化學學家通過視頻直播見證這一時刻。
日本電子加速器比薩研究中心的化學學家在觀看視頻直播
日本費米實驗室的化學學家，舍棄獨立日放假，午夜收看視頻直播。
對這一純科學發覺興奮不已的不僅僅有科學家，還有普通公眾。
一、公眾反響
報告會以后，CERN舉行新聞發布會，向公眾披露這一純數學新聞，各大報紙頭版頭條給以報導。其他傳媒也涌入這個選題，出版社推出多種相關的科普書，多部位列暢銷書榜，電視臺約請各路科學家步入演播室，向聽眾釋疑解惑，多部相關紀錄片在大小屏幕播放。
CERN搜集的世界各大報對發覺希格斯玻骰子新聞的報導
希格斯玻骰子成了當初最熱門的公眾話題，科學和科普交相映襯。次年，希格斯玻骰子相關理論的兩位提出者，美國數學學家希格斯（PeterHiggs）和德國化學學家弗朗索瓦·恩格勒（Fran?ois），共同獲得諾貝爾化學獎，再度將“上帝粒子”的盛會推向。
為什么有此等盛況？這與科學家和科普詩人在多年前提早的“布局”和預熱有很大關系。
早在1993年，諾貝爾獎得主利昂·萊德曼及其專著者出版了科普書《上帝粒子》（TheGod），這本書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
還有另外一個風波迸發了公眾的想像力。
1993年，加拿大科學重臣征集面向公眾的希格斯場和希格斯粒子最佳解釋，獎勵為一瓶香檳。最終巴黎學院大學的大衛·米勒院長博得了這瓶香檳。米勒院士把希格斯場稱作一群摩肩蜂擁的雞尾酒會出席者，一個普通人可以輕松穿過人群，而一個大咖走來，會頓時吸引人圍過來，大咖穿過人群就會很費力。希格斯場與粒子作用與之類似：粒子會吸引希格斯場過來，減低自己的行進速率，降低得越多，代表希格斯場賦給該粒子的質量越大。
希格斯場可類比為雞尾酒會出席者
這個類比可能會讓普通人認為自己也懂希格斯機制了。
然而，這種事情只能解釋西方人對希格斯的熱情，難以解釋世界其他地方——比如中國——人們對發覺希格斯粒子相關科學新聞的熱情。雖然《上帝粒子》的英文版也不是暢銷書，雞尾酒會上不擼串，更不會對“上帝”感興趣。這說明一件事：公眾對基礎科學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界和公眾里都迎來了高光時刻。相關研究是不是就此落幕？
并不是。
對希格斯玻骰子的研究如同探寶，找到希格斯粒子知識就找到了寶藏，但還沒有把寶物挖掘下來。過去六年里，粒子化學學家們一直保持著最初的激動，進行著探寶活動。粒子化學學家希望挖到的寶物是，能解決標準模型還不能給出標準答案的一些問題，例如暗物質是哪些？物質為何比反物質多？宇宙怎么起源并邁向何種命運？
標準模型中的粒子。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36種夸克。紅色部份為輕子，輕子有6種味，沒有色，有反粒子，總計12種輕子。圖中夸克和輕子排成3列，每一列構成物質的一代。夸克和輕子左側一列是規范玻骰子，其中膠子有8種色，沒有反粒子，光子和Z玻骰子各只有一種，W玻骰子有反粒子，總計2種。最右側粒子是希格斯玻骰子，只有1種。標準模型總計61種基本粒子
如今，我們瞧瞧，未來都會有哪些大新聞。
二、耦合
希格斯粒子通過與粒子的互相作用——物理學家稱為“耦合”來賦于其他粒子以質量，耦合硬度不同，粒子也就有了不同的質量。例如目前為止，所有檢測都與標準模型一致，這帶給化學學家更多的不是開導，而是疑慮。粒子為何有它們各自這些質量？
標準模型里粒子的質量的值是化學學家悉心賦于的，而不是從理論中推論下來的。粒子化學是一個很有“野心”的領域，要闡明世界最基本的運行法則，得到萬事萬物的理論。結果，重要的參數是悉心選購的，豈不是很挖苦？如同你要發展一個萬有引力理論，、天體、人各自滿足不同的吸引力規則。這不是萬有引力理論，這是獨有引力理論。
以電子、陶子（tauon）、繆子（muon）為例，談談化學學家所疑慮的問題。
標準模型里，這三種粒子惟一的不同是質量不同，即它們與希格斯粒子的耦合硬度不同。有些化學學家推測，粒子還有更深層次的結構，對希格斯粒子與其他粒子的耦合做細致地檢測，有望出現標準模型難以解釋的結果，從而沿著此線索，發展出更基本的理論。
實驗上檢測耦合的方式是觀察希格斯粒子的形成和衰變。
希格斯粒子被發覺的時侯就確定出希格斯粒子與其他玻骰子的耦合。2016年，實驗上確定出了希格斯子與陶子的耦合。這種實驗都沒有給出預期之外的結果。
不過，希望還沒有完全破滅。
2018年，化學學家在實驗上做了頂夸克、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。偏離標準模型的明顯現象更可能出現于此。遺憾的是，2018年的實驗結果仍然沒有哪些驚喜。
令人失望。
沒有意外的結果，一個可能的誘因是，實驗結果偏差還比較大，假如實驗精度增強，恐怕都會發覺不符合預期的現象。
然而，實驗結果也使化學學家越來越認為一個大膽的看法很靠譜：希格斯粒子可能不止一種，或可能有內部結構。
三、孤單粒子
粒子化學學家對于解決標準模型的缺點有一個非常看好的方案：超對稱。在超對稱理論中，每位粒子都有一個伙伴粒子。LHC開機之前，化學學家希望LHC能發覺這樣的伙伴粒子。但是，到目前為止，一無所獲。超對稱理論雖然還沒有被完全排除，但留給它的希望不太多了。
趕超標準模型的理論不止超對稱，目前還看不出那個理論最有希望勝出。化學學家希望檢測希格斯粒子的性質，能闡明出標準模型之外的東西，為新數學指引方向。
化學學家正在探究的希格斯粒子的一個性質是，它是不是獨一無二的。
希格斯粒子變得孤獨
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“標量粒子”。
其他粒子都有近親，希格斯玻骰子是不是也應當有標量近親？超對稱理論物理學家丁肇中因發現哪一種粒子，以及其他一些理論就預言，存在多種希格斯粒子。有粒子化學學家推測，希格斯粒子可能只是我們發覺的第一個標量粒子，其實存在一個標量粒子家族，等待我們去發覺。
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，例如兩個質子和兩個中子組成的α粒子，由夸克粒子組成的π介子。
粒子化學里近來還有些令人困擾的實驗結果可能與希格斯粒子的性質有關。
2021年，費米實驗室報導的繆子磁性質的實驗結果與標準模型預言不符。2022年4月，費米實驗室報導稱，W玻骰子的質量小于標準模型的預言。
這種困局的答案，恐怕就隱藏在希格斯粒子中。它是標準模型中最晚發覺的粒子，是研究最少的粒子，也是我們破解物質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有互相作用，即會不會自耦合？
希格斯自耦合還未進行過實驗檢測。理論化學學家期盼著相關檢測，相信一定會帶來新的數學。
希格斯自耦合與希格斯勢密切相關。希格斯勢是一個函數，描述希格斯場的能量。這個函數的圖形像個卷檐帽，俗稱法國帽。
希格斯勢的圖形像法國帽。在宇宙初期，宇宙處于帽頂處，然后宇宙會漸漸演變到禮帽的溝里，在這個過程中，各基本粒子獲得了質量。
在宇宙初期，剛形成希格斯場的時侯，希格斯勢決定了基本粒子怎樣獲得質量。對粒子怎樣從沒有質量顯得有質量的研究，這有助于理解宇宙中物質為什么少于反物質。
宇宙誕生初期，希格斯場飾演了哪些樣的角色，答案在希格斯勢里。
依據標準模型，由希格斯粒子和頂夸克的質量，可以確定出希格斯勢的一級近似結果。從目前的結果看，幾十億年前，宇宙步入了希格斯勢一個局域極小值點，而非全局極小值點，意思是宇宙是亞穩態的；未來宇宙會步入另一更小的極小值點，即發生相變，基本粒子質量驟然而變，我們現在所熟悉的宇宙會面目全非。
不過，如今還何必消極，有些趕超標準模型的理論預言了一些粒子及其互相作用物理學家丁肇中因發現哪一種粒子，讓希格斯場呈現另外的面貌，拯救宇宙的命運。
標準模型得到的宇宙的穩定性，中間黑點為當前的檢測結果，三個橢圓的面積分別對應1個、2個、3個標準差。
要了解宇宙的過去和未來，關鍵線索在于希格斯勢。希格斯粒子自耦合實驗會讓我們更確切了解希格斯勢。
要進行希格斯粒子自耦合實驗，須要形成成對的希格斯粒子。在LHC中，形成1000個單個的希格斯粒子，才可能形成一組希格斯粒子對。自耦合實驗難度極大。
LHC正在升級為高色溫小型強子對撞機（HighLarge，HL-LHC），但也只是將數據量提高了10倍，對于自耦合實驗來說，偏差仍然很大，但有可能形成個別相關的現象。
高能化學學界在力推多個更強悍的對撞機項目，如中國的環型正負電子對撞機（，CEPC）、日本的國際直線對撞機（，ILC）、歐洲的未來環型對撞機（，FCC）和緊湊型直線對撞機（，CLIC）等，這種對撞機只要有一座能建成，將能細致檢測希格斯粒子與其他粒子的性質，有可能發覺超出標準模型的新數學的線索。
見證其中之一建成，最快也要等六年以上。
這就是粒子數學，除了須要聰明才智、金錢投入，還須要有耐心。
參考資料