升級(jí)后的LHC將對(duì)希格斯粒子的屬性進(jìn)行深入細(xì)致地探測(cè)

1964年，英國(guó)科學(xué)家彼得·希格斯提出了希格斯場(chǎng)的存在，并進(jìn)而預(yù)言了希格斯玻色子的存在，假設(shè)出的希格斯玻色子是物質(zhì)的質(zhì)量之源，是電子和夸克等形成質(zhì)量的基礎(chǔ)。有些科學(xué)家認(rèn)為，盡管希格斯玻色子很小，但其或許并非最小的粒子，宇宙中可能還存在著其他更小的粒子，是這些粒子組成了玻色子。最近也有研究表明，這些被稱為“技夸克（techni-quarks）”的粒子很有可能潛伏在宇宙中。

丹麥南丹麥大學(xué)的粒子物理學(xué)家托馬斯·瑞特弗4月2日對(duì)美國(guó)趣味科學(xué)網(wǎng)站表示，要想找到這些組成希格斯玻色子的粒子，我們需要對(duì)目前世界上最大的粒子加速器——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）進(jìn)行升級(jí)或者研制下一代粒子對(duì)撞機(jī)才行?！敖?jīng)過仔細(xì)梳理，我們找出了幾個(gè)理論，可用來解釋希格斯粒子和希格斯機(jī)制?！?/p>

2012年，科學(xué)家們?cè)贚HC內(nèi)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子的“蹤跡”，這一重大發(fā)現(xiàn)也促使研究希格斯理論的希格斯和比利時(shí)科學(xué)家弗蘭西斯·恩格勒摘得2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的桂冠。

即使希格斯這樣的基本粒子也有一個(gè)未解之謎。

科學(xué)家們借用這一粒子來解釋為什么組成物質(zhì)的基本粒子（比如夸克和電子等）擁有質(zhì)量。然而，物理學(xué)研究表明，當(dāng)在量子水平上觀察時(shí)，真空并非空無一物，而是充滿了起伏不定的“虛粒子”，虛粒子對(duì)不斷產(chǎn)生并快速湮滅。

瑞特弗解釋道，當(dāng)希格斯粒子通過真空時(shí)，它們應(yīng)該會(huì)同所有的虛粒子相互作用，并在此過程中，讓其質(zhì)量增加到很大值，大約為其在LHC內(nèi)測(cè)量質(zhì)量的1017，因此，希格斯粒子此時(shí)的質(zhì)量應(yīng)該能與普朗克質(zhì)量（約等于2.18×10-8千克）相當(dāng)。瑞特弗說：“問題在于，為什么希格斯粒子的測(cè)量質(zhì)量比普朗克質(zhì)量少這么多呢？這真是個(gè)問題。”

因?yàn)檫@種質(zhì)量增加沒有發(fā)生，所以，統(tǒng)轄粒子物理學(xué)的支配理論——標(biāo)準(zhǔn)模型需要進(jìn)行更高程度的精調(diào)，才能糾正希格斯粒子的測(cè)量質(zhì)量和更大質(zhì)量之間的差異。

瑞特弗表示，這種精調(diào)就是我們所說的固有的問題，這也是物理學(xué)家們心頭的一根刺，“理論本身并不像我們所希望的那么完美優(yōu)雅，從理論上來說，要想在最基礎(chǔ)的尺度上描述所有物質(zhì)，我們需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行很多精調(diào)。”

為了不進(jìn)行這種精調(diào)，而仍然能回答希格斯質(zhì)量的問題，物理學(xué)家們提出對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行擴(kuò)展和延伸，其中最著名的就是超對(duì)稱理論。這一理論認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)模型中的每個(gè)粒子都存在著一個(gè)質(zhì)量更大的超級(jí)對(duì)稱粒子“超粒子（Sparticle）”。超粒子應(yīng)該能抵消真空中虛粒子的影響，減少希格斯粒子的質(zhì)量，從而使標(biāo)準(zhǔn)模型不再需要精調(diào)。但迄今為止，科學(xué)家們沒有發(fā)現(xiàn)任何理論上的超對(duì)稱粒子的“蛛絲馬跡”。

瑞特弗表示，有不少理論指出，希格斯粒子或許也有組成成分——它由其他更小的名為“技夸克”的粒子組成。瑞特弗說：“如果希格斯粒子由自然界中比其更小的‘磚塊’通過一種新的力——藝彩力（technicolor）組成，就像夸克結(jié)合在一起形成質(zhì)子和中子一樣，那么，問題就迎刃而解了?！?/p>

那么，“技夸克”如何解決這個(gè)質(zhì)量問題呢？瑞特弗說，技夸克粒子的自旋為1/2，因此，兩個(gè)技夸克集合在一起能形成像希格斯粒子這樣自旋為零的復(fù)合粒子，“研究結(jié)果表明，只有將技夸克考慮在內(nèi)，才不會(huì)出現(xiàn)我們上述的質(zhì)量問題?！?/p>

其實(shí)，自上世紀(jì)70年代末，就有人提出了這種涵蓋技夸克的想法，最近，科學(xué)家們對(duì)最初的模型進(jìn)行了非常重要的梳理和提煉工作。

在最新研究中，瑞特弗和同事再一次認(rèn)為，希格斯粒子必須擁有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而且，他們也找出了一些理論，“這些理論都很堅(jiān)定地認(rèn)為，希格斯粒子確實(shí)由某些基本成分組成，這些理論能很好地解決標(biāo)準(zhǔn)模型的精調(diào)問題，并讓亞原子世界進(jìn)入和諧狀態(tài)?！?/p>理解暗物質(zhì)

理論物理學(xué)家基莫·圖奧米寧并沒有參與瑞特弗的研究，他接受美國(guó)趣味科學(xué)網(wǎng)站采訪時(shí)表示，盡管希格斯粒子的結(jié)構(gòu)仍然成謎，但“技夸克”是一種可能性，未來，我們應(yīng)該對(duì)此進(jìn)行更深入徹底的研究。

當(dāng)萬眾矚目的LHC于2015年再次啟動(dòng)時(shí)，它或許能以14TeV（萬億電子伏）的最大對(duì)撞能量進(jìn)行對(duì)撞，從而對(duì)希格斯粒子的屬性進(jìn)行深入細(xì)致地探測(cè)。

圖奧米寧說：“在更高對(duì)撞能量下收集到的數(shù)據(jù)或許能使我們對(duì)藝彩模型進(jìn)行檢測(cè)，如果我們發(fā)現(xiàn)希格斯粒子確實(shí)由更基本的粒子組成，這或許表明存在著一種新的基本力，而且，這些理論也將加深和推進(jìn)我們對(duì)于暗物質(zhì)的理解?！?/p>

編輯：劉芳宇