據(jù)澳大利亞“對話”網(wǎng)站7月1日報道，10年前，科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，這有助于解釋為什么基本粒子（自然界中組成各種物體的最小單位）具有質(zhì)量。對粒子物理學(xué)家來說，這意味著長達(dá)數(shù)十年且極其艱難的旅程宣告結(jié)束——而且可以說是這一領(lǐng)域有史以來最重要的成果。但這一結(jié)束也標(biāo)志著實驗物理學(xué)新時代的開端。

過去10年里，對希格斯玻色子性質(zhì)的測量結(jié)果證實了人們對粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測。但它也對這一模型的局限性提出了問題，比如是否存在一種更根本性的自然理論。

物理學(xué)家彼得·希格斯在1964年至1966年間的一系列論文中預(yù)言了希格斯玻色子，認(rèn)為希格斯玻色子是讓基本粒子具有質(zhì)量的機(jī)制所產(chǎn)生的不可避免的結(jié)果。這一理論表明，粒子質(zhì)量是基本粒子與希格斯場相互作用的結(jié)果。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，這樣的場域還應(yīng)該會產(chǎn)生希格斯粒子——這意味著，如果希格斯場里不存在希格斯玻色子，那最終將意味著整個理論是錯的。

但以下事實很快就變得顯而易見了，即發(fā)現(xiàn)這種粒子頗具挑戰(zhàn)性。當(dāng)三位理論物理學(xué)家計算出希格斯玻色子的性質(zhì)時，他們道歉了：“我們要向?qū)嶒炚叩狼?，因為我們不知道希格斯玻色子的質(zhì)量是多少……我們也不確定它與其他粒子的耦合強(qiáng)度……因此，我們不想鼓勵大家進(jìn)行大型實驗，探尋希格斯玻色子?！?/p>

直到1989年，人們才第一次真正有機(jī)會發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子，并開始進(jìn)行這項實驗探索。這一想法是借助高能量讓粒子相互碰撞，從而能在位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心一條約26公里長的隧道中產(chǎn)生希格斯粒子——這是有史以來建造的最大正負(fù)電子對撞機(jī)。這臺對撞機(jī)運(yùn)行了11年，但結(jié)果證明，其最高能量比產(chǎn)生希格斯玻色子所需的能量還低了5%。

與此同時，有史以來最雄心勃勃的美國對撞機(jī)——“正負(fù)質(zhì)子對撞機(jī)”——已經(jīng)在靠近芝加哥的費米實驗室開始收集數(shù)據(jù)了。正負(fù)質(zhì)子對撞機(jī)利用5倍于在日內(nèi)瓦已實現(xiàn)的能量讓質(zhì)子和反質(zhì)子相碰撞——這肯定足以產(chǎn)生希格斯玻色子。但質(zhì)子和反質(zhì)子對撞會產(chǎn)生大量“碎片”，從而使得從數(shù)據(jù)中提取信息變得困難得多。2011年，正負(fù)質(zhì)子對撞機(jī)停止了運(yùn)行——希格斯玻色子再次逃過了探測。

歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)資料圖片（視覺中國）

宇宙或突然“相變”

2010年，歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)開始用7倍于正負(fù)質(zhì)子對撞機(jī)的能量讓質(zhì)子相互碰撞。最終，2012年7月4日，歐洲核子研究中心進(jìn)行的兩項獨立實驗各自收集到了充足數(shù)據(jù)，足以宣布發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。接下來的一年，希格斯及其合作者弗朗索瓦·恩格勒特因“在理論上發(fā)現(xiàn)了一種有助于我們理解亞原子粒子質(zhì)量起源的機(jī)制”而獲得了諾貝爾獎。

這其實低估了其價值。如果沒有希格斯玻色子，以最小尺度來描述粒子物理學(xué)的整個理論框架就會崩塌?；玖Ｗ訒]有質(zhì)量，不會有原子存在，不會有人類，不會有太陽系，也不會有宇宙結(jié)構(gòu)。

然而，這一發(fā)現(xiàn)提出了新的根本性問題。歐洲核子研究中心的實驗繼續(xù)對希格斯玻色子進(jìn)行探究。其性質(zhì)不僅決定了基本粒子的質(zhì)量，而且還決定了其穩(wěn)定性。目前的情況是，研究結(jié)果表明，我們的宇宙并非處于完全穩(wěn)定的狀態(tài)。相反，與臨近熔點的冰類似，宇宙可能會突然經(jīng)歷快速“相變”。但是，這不是像從冰變成水那樣，從固體變?yōu)橐后w，而是會涉及極其重要的變化，改變一切——以及宇宙中的自然法則。

然而，“宇宙看起來是穩(wěn)定的”這一事實表明，計算中可能漏掉了某些東西——某些我們尚未發(fā)現(xiàn)的東西。

存在新未知力量？

在停機(jī)3年、進(jìn)行維護(hù)和升級后，大型強(qiáng)子對撞機(jī)如今恢復(fù)碰撞實驗，繼續(xù)以前所未有的高能量進(jìn)行，以兩倍于探測到希格斯玻色子時所用的能量來進(jìn)行。這可能有助于發(fā)現(xiàn)被我們遺漏的粒子，而這種粒子能讓我們的宇宙不再處于穩(wěn)定和快速變化這二者之間的不確定狀態(tài)。

這一實驗還有助于回答其他問題。希格斯玻色子的獨特屬性會使之成為打開暗物質(zhì)世界的大門嗎？暗物質(zhì)不帶電荷，希格斯玻色子擁有與不帶電荷的物質(zhì)相互作用的獨特方式。

這種獨特屬性讓物理學(xué)家質(zhì)疑希格斯玻色子是否可能根本就不是基本粒子。除了大自然中的重力、電磁力、弱核力和強(qiáng)核力之外，有可能存在一種新的未知力量嗎？也許是一種將迄今為止未知的粒子束縛在一起、形成一個被我們稱之為希格斯玻色子的合成物的力量？

此類理論也許有助于解答最近測量結(jié)果中頗具爭議的結(jié)果。那些結(jié)果表明，一些粒子的行為并不像標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的那樣。因此，對于弄清楚是否存在標(biāo)準(zhǔn)模型無法解釋的、有待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)的物理學(xué)，研究希格斯玻色子至關(guān)重要。

專門為產(chǎn)生希格斯玻色子而設(shè)計的、未來的高能對撞機(jī)將使我們能夠精準(zhǔn)測量其最重要的屬性，包括希格斯玻色子如何與其他希格斯玻色子相互作用。研究這種相互作用可以幫助我們探究使粒子具有質(zhì)量的基本過程。

這些測量結(jié)果將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，這些影響將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出對撞機(jī)物理學(xué)的范疇，將引導(dǎo)或限制我們對暗物質(zhì)起源、宇宙的誕生——也許還有宇宙的最終命運(yùn)——的理解。

來源：參考消息網(wǎng)