科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞

2012年7月4日，歐洲核子研究中心（CERN）的物理學(xué)家宣布，他們發(fā)現(xiàn)了已追尋48年之久的希格斯玻色子，填補(bǔ)了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的最后一個(gè)空白，并打開(kāi)了物理學(xué)的新窗口?？茖W(xué)家們認(rèn)為，正是這種“神秘粒子”賦予其他粒子質(zhì)量。

粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型

(資料圖)

圖片來(lái)源：CERN　

自其“現(xiàn)身”以來(lái)，希格斯玻色子令無(wú)數(shù)科學(xué)家趨之若鶩去研究其特性，參與全球最大粒子加速器——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家迄今已發(fā)表了近350篇相關(guān)論文。目前，科學(xué)家們已知希格斯玻色子的質(zhì)量為1250億電子伏、自旋為零且與其他粒子相互作用。盡管如此，該粒子仍有很多未解之謎。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)ATLAS探測(cè)器的一部分

圖片來(lái)源：CERN　

在發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子十周年之際，英國(guó)《自然》雜志網(wǎng)站在報(bào)道中提出了科學(xué)家們希望揭示的有關(guān)該粒子的五大秘密。

能否更精確地測(cè)量？

到目前為止，希格斯玻色子的性質(zhì)，例如其相互作用強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)基本匹配，不確定性約為10%。德國(guó)電子同步輻射加速器（DESY）粒子物理學(xué)家弗雷亞·布萊克曼表示，這還不足以讓其將標(biāo)準(zhǔn)模型與一些新物理理論區(qū)別開(kāi)來(lái)。

更多數(shù)據(jù)將提高這些測(cè)量的精度，LHC目前只收集了預(yù)期能收集信息總量的1/20。阿根廷圣馬丁國(guó)立大學(xué)理論物理學(xué)家丹尼爾·德弗洛里安說(shuō)，在更精確的研究中，更有可能看到新物理現(xiàn)象的“蛛絲馬跡”，而非直接觀察到新粒子?！霸谖磥?lái)十年甚至更長(zhǎng)時(shí)間里，我們的主要工作是提高測(cè)量希格斯玻色子性質(zhì)的精確度”。

是否與更輕的粒子相互作用？

希格斯玻色子的相互作用似乎符合標(biāo)準(zhǔn)模型，但物理學(xué)家已經(jīng)看到它只衰減為最重的物質(zhì)粒子，如底夸克。

物理學(xué)家現(xiàn)在想弄清楚它是否會(huì)以同樣的方式與來(lái)自較輕家族的粒子相互作用。2020年，在LHC上運(yùn)行的超環(huán)面儀器實(shí)驗(yàn)（ATLAS）和緊湊繆子線圈（CMS）兩個(gè)實(shí)驗(yàn)看到了這樣一種相互作用：希格斯玻色子罕見(jiàn)地衰變?yōu)殡p繆子?？娮邮怯钪嬷械囊环N基本粒子，大約是電子質(zhì)量的200倍。電子被列為第一代粒子，而繆子是第二代粒子。

希格斯粒子衰變?yōu)殡p繆子是一種稀有現(xiàn)象，大約每5000個(gè)希格斯粒子中會(huì)有一個(gè)衰變?yōu)殡p繆子。這是實(shí)驗(yàn)室首次看到希格斯粒子和第二代粒子的相互作用，對(duì)于理解物質(zhì)的基本相互作用有重要意義。盡管如此，還需要更多數(shù)據(jù)來(lái)證實(shí)希格斯玻色子與較輕粒子之間的相互作用。

是否存在自相互作用？

希格斯玻色子擁有質(zhì)量，因此它應(yīng)該與自身相互作用，這是其賦予自身質(zhì)量的方式。

但是，這種相互作用，如一個(gè)高能希格斯玻色子衰變?yōu)閮蓚€(gè)低能希格斯玻色子極其罕見(jiàn)，因?yàn)樗猩婕暗牧Ｗ佣己苤亍?/p>

ATLAS和CMS這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)合作組都希望LHC于2026年升級(jí)后能找到其相互作用的線索，但最終可能需要功能更強(qiáng)大的對(duì)撞機(jī)才能獲取較確鑿的證據(jù)。

研究人員表示，希格斯玻色子與自身相互作用的可能性對(duì)于理解宇宙至關(guān)重要。自相互作用的概率取決于希格斯場(chǎng)勢(shì)能如何在其最小值附近變化，這描述了大爆炸之后的情況。因此，了解希格斯自相互作用可幫助科學(xué)家了解早期宇宙的動(dòng)力學(xué)。

意大利帕多瓦大學(xué)理論物理學(xué)家雷蒙娜·格雷伯指出，許多試圖解釋物質(zhì)如何以某種方式變得比反物質(zhì)更豐富的理論都需要希格斯粒子自相互作用，而其自相互作用與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)相差高達(dá)30%，因此，弄清楚這一點(diǎn)至關(guān)重要。

壽命有多長(zhǎng)？

物理學(xué)家想知道希格斯粒子的壽命有多長(zhǎng)——也就是其在衰變?yōu)槠渌Ｗ又埃堋按婊睢倍嚅L(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)槿魏闻c預(yù)測(cè)不一致的偏差都可能指向與未知粒子的相互作用，例如構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子。但希格斯玻色子的壽命太短，無(wú)法直接測(cè)量。

為間接測(cè)量這一性質(zhì)，物理學(xué)家觀察粒子的質(zhì)量寬度，這一性質(zhì)與壽命成反比，代表了粒子標(biāo)稱質(zhì)量1250億電子伏特附近的可能質(zhì)量的較小范圍。去年，CMS物理學(xué)家借用此方法，首次粗略測(cè)量了希格斯粒子的壽命為2.1×10-22秒，這是迄今最精確的希格斯玻色子壽命的測(cè)量值。盡管精度仍有限，但它實(shí)際上和標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)非常吻合，說(shuō)明該粒子應(yīng)該確實(shí)具有非常短的壽命。

研究人員表示，未來(lái)幾年里，隨著下一次LHC運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集，以及新的分析思路的出現(xiàn)，測(cè)量精度有望進(jìn)一步提高。人類對(duì)這種粒子甚至宇宙的認(rèn)識(shí)也將更進(jìn)一步。

是否為基本粒子？

一些對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行擴(kuò)展的理論預(yù)測(cè)，希格斯玻色子不是基本粒子，而是像質(zhì)子一樣由其他粒子組成。也有科學(xué)家預(yù)測(cè)，存在多種希格斯玻色子，它們的行為相似但并不完全相同，除了深入研究希格斯玻色子是否是標(biāo)準(zhǔn)模型粒子外，LHC上的實(shí)驗(yàn)還將尋找理論預(yù)測(cè)的其他希格斯玻色子的蹤跡。

據(jù)CERN官網(wǎng)報(bào)道，經(jīng)過(guò)3年多的維修和升級(jí)，LHC已于7月5日正式開(kāi)始第三輪運(yùn)行。其碰撞能量將達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的13.6萬(wàn)億電子伏特。據(jù)LHC加速器及相關(guān)技術(shù)總監(jiān)邁克·拉蒙介紹，第三輪運(yùn)行期間記錄的碰撞次數(shù)將超過(guò)前兩輪的總和，這將使科學(xué)家能夠收集到更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，以前所未有的精確度和新渠道詳細(xì)研究希格斯玻色子的性質(zhì)。

關(guān)鍵詞： 希格斯玻色子