2012年，隨著被稱為“上帝粒子”的希格斯子在歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上被發(fā)現(xiàn)，粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊“拼圖”終于找到了。粒子物理學(xué)家為此奮斗了幾十年的標(biāo)準(zhǔn)模型可以說完美收官。
但依然留下幾個(gè)問題，其中一個(gè)是：上帝粒子到底有幾種?
什么?上帝粒子難道還會(huì)有好幾種嗎?我沒說錯(cuò)。當(dāng)時(shí)一部分物理學(xué)家提出，希格斯子可能有好幾種類型，發(fā)現(xiàn)的只是其中的一種。
他們?yōu)槭裁匆@么說，這得從希格斯子的作用談起。
基本粒子獲得質(zhì)量的機(jī)制
我們知道，自然界中存在四種基本作用力：引力、電磁力、強(qiáng)核力和弱核力。但很早就有人堅(jiān)信，大自然是簡單的，四種基本作用力太多了，它們可能是同一種力的不同表現(xiàn)。為此，他們希望把它們統(tǒng)一起來，這就是所謂的“大統(tǒng)一理論”。愛因斯坦晚年就致力于這項(xiàng)工作。
人們?cè)纫詾椋鳛榈谝徊?，引力和電磁力是最容易統(tǒng)一的，因?yàn)殪o電力和引力有著相似的形式，都與距離的平方成反比。但隨著研究的深入，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，引力恰恰是最孤僻、最難“入伙”的。所以，引力就暫時(shí)被撇到了一邊。
到了1970年代，物理學(xué)家意識(shí)到，弱核力和電磁力之間存在著非常密切的聯(lián)系，兩種力可以用“弱電統(tǒng)一理論”來描述。這種“統(tǒng)一”意味著電、磁、光和某些類型的放射性(涉及弱核力)，都是一種被稱為“弱電力”的基本作用力的表現(xiàn)。弱電統(tǒng)一理論構(gòu)成了粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)。
弱電統(tǒng)一理論正確描述了弱電力及其相關(guān)的作用力傳遞粒子，即光子、W和Z玻色子，但有一個(gè)重大缺陷：理論中，所有這些粒子出現(xiàn)時(shí)都沒有靜止質(zhì)量。雖然光子沒有靜止質(zhì)量符合事實(shí)，但我們知道，W和Z玻色子是具有質(zhì)量的，幾乎是質(zhì)子的100倍。
幸運(yùn)的是，理論家彼得·希格斯等人提出一個(gè)建議，解決了這個(gè)難題，我們現(xiàn)在稱之為“希格斯機(jī)制”。他們說，當(dāng)W和Z與一個(gè)充斥宇宙的、看不見的場(現(xiàn)在稱為 “希格斯場”)相互作用時(shí)，它們就獲得了質(zhì)量。
為什么不同粒子質(zhì)量不一樣?
具體來說，希格斯機(jī)制是這樣：在宇宙大爆炸之后，希格斯場最初是零，那時(shí)所有粒子的質(zhì)量為零;隨著宇宙的冷卻，希格斯場自發(fā)地增長，粒子與希格斯場相互作用，獲得了質(zhì)量。
你可以把希格斯場想象成一片泥涂，粒子在這個(gè)泥涂中跋涉，沾上了泥巴變重了。粒子與希格斯場相互作用越強(qiáng)，沾的泥巴越多，它就越重。反過來也可以說，粒子質(zhì)量越大，說明它與希格斯場的作用越強(qiáng)。像光子這樣不與之作用的粒子，則完全沒有質(zhì)量。
所有量子場都有其傳遞作用力的粒子，傳遞希格斯場的是希格斯子。
這樣，希格斯機(jī)制就解釋了“粒子為什么會(huì)有質(zhì)量”這個(gè)問題。但從另一方面說，它似乎又是“甩手掌柜”，把“不同的粒子為什么有不同的質(zhì)量”這個(gè)問題，甩給了“不同的粒子與希格斯場作用強(qiáng)弱不同”這個(gè)更不好理解的解釋。所以，我們完全可以追問一句：為什么不同的粒子與希格斯場作用強(qiáng)弱不同呢?
這是希格斯等人的理論解答不了的。于是有人提出，也許希格斯場不止一種，而是有好幾種類型;不同的粒子與不同的希格斯場作用，所以獲得了不同的質(zhì)量。最理想的當(dāng)然是每一種基本粒子對(duì)應(yīng)一種希格斯場，但這又與目前的實(shí)驗(yàn)不符?？紤]到基本粒子家族中，成員的質(zhì)量相差懸殊，大致可分為重子、介子和輕子三類，那么希格斯場可能至少也有三種類型，每種希格斯場都有自己的希格斯子。
發(fā)現(xiàn)罕見的衰變
很遺憾，這個(gè)猜想可能是錯(cuò)的。上帝粒子很可能只有一種。
為了便于說明，讓我們回頭去解答 “如何判斷一個(gè)粒子與希格斯場作用的強(qiáng)弱”這個(gè)問題。很簡單，在實(shí)驗(yàn)上就是看希格斯子衰變成這個(gè)粒子的難易程度，難度越大，作用越弱。因?yàn)樵诹孔游锢韺W(xué)上，往往把一個(gè)粒子的衰變?cè)O(shè)想成該粒子和它可能衰變成的粒子的虛粒子相互作用的結(jié)果。
已發(fā)現(xiàn)的希格斯子，其壽命僅有1.56×10^22秒。它一旦出現(xiàn)，幾乎立即就衰變成其他粒子。通常情況下，希格斯子會(huì)衰變?yōu)榛玖Ｗ蛹易迥切┵|(zhì)量較大的粒子，如一對(duì)底夸克(質(zhì)量是電子的8200倍)。
如果希格斯子只有一種，那么已知的這個(gè)希格斯子，應(yīng)該能衰變成所有基本粒子，包括那些更輕的粒子，如μ子(質(zhì)量是電子的207倍)，甚至電子和中微子。只是粒子越輕，衰變難度越大，我們?cè)讲蝗菀子^察到而已。
不過，2020年，物理學(xué)家在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上終于首次觀察到了希格斯子衰變成兩個(gè)μ介子的罕見現(xiàn)象。這就證實(shí)了，μ子可以從同一個(gè)希格斯場獲得其質(zhì)量，不需要額外假設(shè)有個(gè)特殊的希格斯場與其對(duì)應(yīng)。這意味著只存在一種類型的希格斯場的可能性更大。
發(fā)現(xiàn)希格斯子衰變成μ介子，對(duì)于物理學(xué)家來說，既是好消息，又是壞消息。首先，這是標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的，當(dāng)然再次證明了標(biāo)準(zhǔn)模型的“偉大、光榮、正確”;但是另一方面，這也讓物理學(xué)家超越標(biāo)準(zhǔn)模型的期望落空了。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型雖然在以往的歲月里戰(zhàn)無不勝，但它并非包羅萬象。像引力，它就沒有統(tǒng)一進(jìn)來。此外，它對(duì)暗物質(zhì)、暗能量也無法提供任何線索。物理學(xué)家恰恰渴望它在描述微觀世界時(shí)能露出一絲破綻，好去開辟出一塊新的天地。
上帝粒子留給我們的懸念
希格斯子的存在，證實(shí)了粒子獲得質(zhì)量的希格斯機(jī)制，但物理學(xué)家對(duì)無所不在的希格斯場了解甚少。
除了他們無法解釋“為什么不同的粒子與希格斯場的作用強(qiáng)弱不同”，他們也不知道，大爆炸之后不久，為什么希格斯場突然從零值(換句話說，不存在)轉(zhuǎn)變?yōu)椴粸榱愕臓顟B(tài)。
這種轉(zhuǎn)變，物理學(xué)上稱為“相變”。常見的相變就是液態(tài)水在零度的時(shí)候結(jié)成冰。對(duì)于相變，物理學(xué)上最常見的解釋是“對(duì)稱性破缺”。什么是對(duì)稱性破缺呢?下面不妨舉個(gè)例子。
假設(shè)有一頂中間隆起的帽子，帽頂上置一個(gè)小球。在小球下滾之前，帽子一圈的任意位置都是平等的，系統(tǒng)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。但小球在帽頂是不穩(wěn)定的，受到擾動(dòng)就會(huì)滾到帽檐里。當(dāng)小球掉下去之后，最終只會(huì)穩(wěn)定在某一個(gè)確定的位置，此時(shí)對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)就不具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性了。此時(shí)，就發(fā)生了對(duì)稱性破缺。
物理學(xué)家認(rèn)為，在希格斯場為零的時(shí)候，真空處于某種對(duì)稱性，但能量高，不穩(wěn)定，受到擾動(dòng)，發(fā)生對(duì)稱性破缺，于是發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變到能量較低的狀態(tài)。
與這樣的解釋相關(guān)的還有另外兩個(gè)問題。
一個(gè)問題是，希格斯場的對(duì)稱性破缺是否在創(chuàng)造宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱性方面發(fā)揮了作用?
物質(zhì)與反物質(zhì)的不對(duì)稱是一個(gè)老話題。在大爆炸中誕生的物質(zhì)與反物質(zhì)應(yīng)該是一樣多的，但為什么我們的宇宙中物質(zhì)占統(tǒng)治地位，反物質(zhì)很罕見?這個(gè)問題會(huì)不會(huì)跟希格斯場的對(duì)稱性破缺有關(guān)呢?
另一個(gè)問題是，當(dāng)前的希格斯場是否穩(wěn)定?
以山頂上的石頭做比喻。希格斯場對(duì)稱性破缺，相當(dāng)于山頂上那個(gè)石頭滾了下來。但只滾到半坡上，半途卡在了草叢里;而半山坡的草叢里又并非完全穩(wěn)定，只要再有大風(fēng)或雨水，石頭又會(huì)繼續(xù)滾下去。用物理學(xué)家的話來說就是，半山坡處能量并非最低，屬于亞穩(wěn)定狀態(tài)：山底處能量最低，才是穩(wěn)定狀態(tài)。
前面提到，在希格斯場為零的時(shí)候，真空處于能量高的狀態(tài)。它不穩(wěn)定，受到擾動(dòng)，發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變到能量低的狀態(tài)。但后一種狀態(tài)是穩(wěn)定狀態(tài)，還是亞穩(wěn)定狀態(tài)，我們依然不得而知。如果是亞穩(wěn)定狀態(tài)，受到擾動(dòng)，它還會(huì)發(fā)生相變，直到轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰孔畹偷姆€(wěn)定狀態(tài)為止。這種相變對(duì)于宇宙來說，不啻是一場翻天覆地的災(zāi)難。
上述幾個(gè)問題都超出了標(biāo)準(zhǔn)模型所能回答的范圍，所以深入地研究希格斯子，是尋找新物理學(xué)的突破口。
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