忘記希格斯粒子吧：理論家提出了一種新的粒子，它能解釋暗物質(zhì)和大爆炸等棘手難題?，F(xiàn)在他們正在競相尋找它。

歐洲核子研究中心（CERN）掌管一臺長達 27 公里的大型強子對撞機（LHC），該對撞機位于法國 - 瑞士邊境的地表之下。CERN 在 2012 年 7 月確認了希格斯玻色子的存在，這讓該機構聲名大噪。但是與 Goertz 現(xiàn)在所尋找的粒子相比，希格斯粒子可謂相形見絀。

希格斯粒子的存在解答了“其他基本粒子是如何獲得質(zhì)量的”這個科學難題。但 Goertz 所追尋的粒子能夠一舉解決物理學中的五個重大問題，從次原子粒子的運作方式到宇宙起源的奧秘，再到神秘的暗物質(zhì)到底是什么等等。牛津大學的粒子理論家 Giulia Zanderighi 說：“解決這些問題中的任何一個都足夠獲得諾貝爾物理學獎，”。

圖 | 世界最大粒子加速器（來源：CERN）

我們可能會想，真的有這么棒的粒子嗎？聽起來有點不靠譜，但 Goertz 并不是唯一一個正在尋找這種粒子的科學家。他本人在德國海德堡馬克斯普朗克粒子和天體物理研究所工作，但同時也在與世界各地的研究人員展開合作與競爭，來共同描述這種粒子的特性并預測其能力。如果科學家們的設想正確，CERN 的實驗將會證實他們的想法。

要理解這個粒子的重要性，我們首先要定義粒子是什么。通常我們會將粒子想象成極小的珠子，要么在空間里漂浮，要么在固體里緊緊聚在一起。但是要更好的了解粒子，我們就不能使用這種觀點。相反，我們應該認為宇宙中充滿了波動的“場”，當這些“場”發(fā)生量子尺度的擾動時，就會以粒子或力的形式被我們觀察到。

希格斯玻色子挺了不起的，但相比之下就顯得“沒什么”

為了解決不同的物理基本問題，理論家們總是在存在和不存在的領域之間穿梭。然而，每個人都可以猜想新粒子，硬實驗證據(jù)卻只能由粒子探測器提供。

希格斯場和希格斯玻色子就是這種情況，它們最初于 1964 年被提出，基于基本粒子的質(zhì)量解釋弱核力的范圍。此后 50 年人們才找到希格斯粒子。但與此同時，更多的理論漏洞出現(xiàn)了，物理學家只能用更多假想的粒子來填補這些漏洞。

例如，在超對稱理論中，科學家為了同時解決粒子物理學中的三個問題，為每個已知的粒子都假象了一個超對稱粒子（超伴子），并預計在大型強子對撞機（LHC）2009 年首次運行時找到這些假想粒子存在的證據(jù)，但無論是 2009 年還是在 2015 年 LHC 升級后的運行中，科學家都沒有找到相關證據(jù)。

還有一些理論家則沒那么“大手筆”，如 2016 年，法國巴黎 - 薩克萊大學的 Guillermo Ballesteros 提出只用添加 6 個額外粒子就能解決五個謎團，這個假設被稱為 SMASH。

但 Goertz 及其合作者來說，6 個粒子解決 5 個問題還是太多了。他們說，與其找一大堆，不如將已經(jīng)理論化的粒子們合為 1 個？這樣理論家們就能集中精力尋找一個粒子，而不是因為找不到一大堆“假想粒子”而倍感尷尬。

這個粒子就像瑞士軍刀一樣有一系列工具，可以解決各種棘手的問題。這件事要追溯到 1977 年，當時斯坦福大學的 Roberto Peccei 和 Helen Quinn 面臨量子色動力學中最令人煩惱的問題之一，理論描述了質(zhì)子和中子之間的相互作用。

強 CP 問題指的是，質(zhì)子或中子內(nèi)的強作用力應該在某些情況下破壞 CP 對稱性，但事實上卻沒有破壞。CP 對稱性不被破壞的現(xiàn)象需要科學的解釋。Peccei 和 Quinn 提出的解釋則是引入一個的新“場”來抵消看不見的 CP 破壞。

在嘗試證實這一“場”的存在的過程中，諾貝爾獎獲得者 Frank Wilczek 發(fā)現(xiàn)這個新的量子場能夠產(chǎn)生一種新的粒子，Wilczek 稱它為“軸子”。

粒子物理學的第二個問題大約在同一時間出現(xiàn)。英國格拉斯哥大學的 Colin Froggatt 和丹麥哥本哈根大學 Niels Bohr 研究所的 Holger Nielsen 為夸克感到頭痛，夸克這種亞原子粒子組合在一起構成質(zhì)子和中子，也就構成了物質(zhì)的質(zhì)量。但是六個夸克各自的質(zhì)量差異很大，頂夸克是上夸克質(zhì)量的 80,000 倍。Goertz 說：“人們會覺得各個夸克質(zhì)量應該大致相同，因此對于實際情況感到很困惑，也就更想理解為什么存在這種巨大的差異?！?/p>

Froggatt 和 Nielsen 提出了“flavon 場”來解決這個問題。“flavon 場”引入了一種對稱性，這種對稱性會被不同的夸克以不同的方式破壞。這導致夸克質(zhì)量各不相同，該預測與實驗結果相符。

那么兩個看似不同的粒子如何組成一個呢？在過去的幾年里，兩組物理學家各自地發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象：由 flavon 場產(chǎn)生的粒子（flavon 粒子）的一個組成部分與軸子很相似。Goertz 說：“如果軸子是 flavon 粒子的一個組成部分，它就仍然可以解答強 CP 問題?！倍瑫r，flavon 粒子本身又能解決夸克質(zhì)量不同的問題。

圖 | CERN 的 NA62 實驗可能會發(fā)現(xiàn) axiflavon 粒子（來源：CERN）

軸子和 flavon 粒子的結合物被稱為 axiflavon 或 flaxion 粒子，它能帶來更多好處。自從 20 世紀 70 年代后期以來，物理學家提出假設認為，大爆炸（the big bang）后宇宙經(jīng)歷了一段超快速的擴張時期。這種空間和時間的擴張可能是由一種稱為“暴脹子（inflaton）”的粒子引發(fā)的，有些人推測它實際上可能是軸子或 flavon 粒子。另外，暗物質(zhì)的候選粒子之一就是軸子。而合而為一的 axiflavon 粒子也可以滿足這兩種假設，即它可能是暴脹子，也可能是暗物質(zhì)。

“即使現(xiàn)階段只是猜想，都足夠讓人激動了”

如果這還不夠振奮人心，那么想想 axiflavon 粒子可能還有別的“超級能力”。Goertz 說：“我們正在努力實現(xiàn)更大的統(tǒng)一，那就是將希格斯粒子也統(tǒng)一到 axiflavon 粒子中。”

這是一個非凡的理論上的飛躍，但它可以解決另一個基本問題。當 LHC 在 2012 年發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子時，它的質(zhì)量比許多物理學家預計的要小得多。理論認為它應該是 10^19 GeV，但它實際上只有 125 GeV。沒人能解釋這種 17 個數(shù)量級的差異。但是一個合適的 axiflavon 粒子或許能讓希格斯粒子的質(zhì)量在理論范圍內(nèi)。

總而言之，axiflavon 粒子可以一次性解決物理學中五個最棘手的問題：強相互作用中不被破壞的 CP 對稱性，夸克的不同質(zhì)量，宇宙的突然膨脹，暗物質(zhì)的起源和希格斯粒子過輕的質(zhì)量。Wilczek 說：“在我看來，用一個粒子就能在標準模型之外解決這么多重大的物理問題是非常了不起的。”

這確實令人興奮，但目前它仍然穩(wěn)穩(wěn)當當?shù)赝Ａ粼诓孪腚A段。改變這一點的關鍵在于 911 號樓，也就是是 CERN 的 NA62 實驗的所在地。雖然 NA62 實驗不像 CERN 的其他那些大型實驗一樣聲名赫赫，但它的目標仍然相當重要，即通過研究“夸克- 反夸克對”的衰變來提高我們對夸克的理解。

科學家希望通過 NA62 實驗，在衰變產(chǎn)物的能量中得到意想不到的發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)能引導科學家找到粒子物理學標準模型之外的東西。由于 axiflavon 粒子的特性，它可能會在實驗中作為衰變產(chǎn)物被證實存在。NA62 的實驗者之一 Babette Dobrich 說，這項實驗“與尋找 axiflavon 粒子所需要進行的分析十分相關”。

這讓 Goertz 感到興奮，但他仍然謹慎地說：“找到這樣一個粒子并非是不可能的。”

豐饒的場

我們或許很快就能得到答案，但是這完全取決于 axiflavon 粒子有多重。Dobrich 說：“axiflavon 粒子的質(zhì)量是未知的，因此即使它存在，我們也不知道它何時會現(xiàn)身?！辈贿^如果 Goertz 及其同事能成功地將希格斯粒子合并到了 axiflavon 粒子中，那么科學家就能較為準確的估計 axiflavon 粒子的質(zhì)量，也就大概知道何時能發(fā)現(xiàn)它了。

對“多功能粒子”感興趣的人越來越多。以色列 Weizmann 科學研究所的研究人員提出了他們自己的“瑞士軍刀”粒子——hierarchion，它可以用不同方式完成與 axiflavon 粒子類似的任務。

總而言之，這似乎是粒子物理學中的一個“豐饒時刻”。我們仿佛就在突破的邊緣。劍橋大學的物理學家 David Tong 說：“似乎很多新的場等待發(fā)現(xiàn)，但暗物質(zhì)和宇宙膨脹都強烈表明我們需要新的發(fā)現(xiàn)?！?/p>

現(xiàn)在的理論學家們想象力可謂無邊無際，但他們?nèi)匀皇艿角皫状茖W家們研究成果的約束，比如 Ballesteros 就說：“你不能想象一個新的粒子，并假設它會解決所有的問題，它必須符合理論和實驗方面的限制。”

Goertz 說，現(xiàn)在是粒子物理學家的“黃金時代”，因為有大量新想法可以將許多問題合而為一。特別是 CERN 那個 911 建筑可能會找到那個解決多個問題的粒子，然我們祈禱他們真的會找到！

重要的對稱性

找到新粒子可能隱藏的位置是一件棘手的事情。對此，我們擁有的最有效的探尋工具便是“對稱性”。對稱性意味著有些東西即使在其位置或方向等發(fā)生變化時，仍然具有相同的外形和行為方式。例如，圓形具有完全旋轉(zhuǎn)對稱性，而正方形具有“被破壞的（broken）”旋轉(zhuǎn)對稱性，因為只有當其旋轉(zhuǎn) 90 度的倍數(shù)時看起來才與之前相同，旋轉(zhuǎn)其他角度則不會。