科技日報記者 劉霞

2012年7月4日，歐洲核子研究中心（CERN）的物理學家宣布，他們發現了已追尋48年之久的希格斯玻色子，填補了粒子物理標準模型中的最后一個空白，并打開了物理學的新窗口。科學家們認為，正是這種“神秘粒子”賦予其他粒子質量。

粒子物理學標準模型

(資料圖)

圖片來源：CERN　

自其“現身”以來，希格斯玻色子令無數科學家趨之若鶩去研究其特性，參與全球最大粒子加速器——大型強子對撞機（LHC）實驗的科學家迄今已發表了近350篇相關論文。目前，科學家們已知希格斯玻色子的質量為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。

大型強子對撞機ATLAS探測器的一部分

圖片來源：CERN　

在發現希格斯玻色子十周年之際，英國《自然》雜志網站在報道中提出了科學家們希望揭示的有關該粒子的五大秘密。

能否更精確地測量？

到目前為止，希格斯玻色子的性質，例如其相互作用強度與標準模型的預測基本匹配，不確定性約為10%。德國電子同步輻射加速器（DESY）粒子物理學家弗雷亞·布萊克曼表示，這還不足以讓其將標準模型與一些新物理理論區別開來。

更多數據將提高這些測量的精度，LHC目前只收集了預期能收集信息總量的1/20。阿根廷圣馬丁國立大學理論物理學家丹尼爾·德弗洛里安說，在更精確的研究中，更有可能看到新物理現象的“蛛絲馬跡”，而非直接觀察到新粒子。“在未來十年甚至更長時間里，我們的主要工作是提高測量希格斯玻色子性質的精確度”。

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準模型，但物理學家已經看到它只衰減為最重的物質粒子，如底夸克。

物理學家現在想弄清楚它是否會以同樣的方式與來自較輕家族的粒子相互作用。2020年，在LHC上運行的超環面儀器實驗（ATLAS）和緊湊繆子線圈（CMS）兩個實驗看到了這樣一種相互作用：希格斯玻色子罕見地衰變為雙繆子。繆子是宇宙中的一種基本粒子，大約是電子質量的200倍。電子被列為第一代粒子，而繆子是第二代粒子。

希格斯粒子衰變為雙繆子是一種稀有現象，大約每5000個希格斯粒子中會有一個衰變為雙繆子。這是實驗室首次看到希格斯粒子和第二代粒子的相互作用，對于理解物質的基本相互作用有重要意義。盡管如此，還需要更多數據來證實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量，因此它應該與自身相互作用，這是其賦予自身質量的方式。

但是，這種相互作用，如一個高能希格斯玻色子衰變為兩個低能希格斯玻色子極其罕見，因為所有涉及的粒子都很重。

ATLAS和CMS這兩個實驗合作組都希望LHC于2026年升級后能找到其相互作用的線索，但最終可能需要功能更強大的對撞機才能獲取較確鑿的證據。

研究人員表示，希格斯玻色子與自身相互作用的可能性對于理解宇宙至關重要。自相互作用的概率取決于希格斯場勢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家了解早期宇宙的動力學。

意大利帕多瓦大學理論物理學家雷蒙娜·格雷伯指出，許多試圖解釋物質如何以某種方式變得比反物質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準模型的預測相差高達30%，因此，弄清楚這一點至關重要。

壽命有多長？

物理學家想知道希格斯粒子的壽命有多長——也就是其在衰變為其他粒子之前，能“存活”多長時間，因為任何與預測不一致的偏差都可能指向與未知粒子的相互作用，例如構成暗物質的粒子。但希格斯玻色子的壽命太短，無法直接測量。

為間接測量這一性質，物理學家觀察粒子的質量寬度，這一性質與壽命成反比，代表了粒子標稱質量1250億電子伏特附近的可能質量的較小范圍。去年，CMS物理學家借用此方法，首次粗略測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量值。盡管精度仍有限，但它實際上和標準模型的預測非常吻合，說明該粒子應該確實具有非常短的壽命。

研究人員表示，未來幾年里，隨著下一次LHC運行數據的收集，以及新的分析思路的出現，測量精度有望進一步提高。人類對這種粒子甚至宇宙的認識也將更進一步。

是否為基本粒子？

一些對標準模型進行擴展的理論預測，希格斯玻色子不是基本粒子，而是像質子一樣由其他粒子組成。也有科學家預測，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準模型粒子外，LHC上的實驗還將尋找理論預測的其他希格斯玻色子的蹤跡。

據CERN官網報道，經過3年多的維修和升級，LHC已于7月5日正式開始第三輪運行。其碰撞能量將達到創紀錄的13.6萬億電子伏特。據LHC加速器及相關技術總監邁克·拉蒙介紹，第三輪運行期間記錄的碰撞次數將超過前兩輪的總和，這將使科學家能夠收集到更高質量的數據，以前所未有的精確度和新渠道詳細研究希格斯玻色子的性質。

關鍵詞： 希格斯玻色子