后希格斯时代

苗千

最近，希格斯玻色子的发现算得上是几十年来世界上最重大的科学突破，因此，希格斯玻色子一夜之间成为全世界的焦点，就连平常冷静理性的科学家们也难得地展现出了感性的一面。今年83岁的皮特?希格斯教授自己也说，当时他正在意大利一个暑期学校讲学，被一通电话叫到了欧洲核子中心，在7月4日举行的新闻发布会上，他感到非常激动，就像是“自己支持的足球队获胜一样”。他明白，在他的余生中恐怕再也不会享受到宁静的生活了。

但是，人们究竟在庆祝什么？这个问题恐怕一时还真的难以回答。现在全世界的庆祝，更像是对于人类花费了几十年时间、上百亿美元苦苦追寻一个基本粒子而终获成功的顽强意志的庆祝。对于基础物理学来说，许多在发现希格斯玻色子之前存在的问题此时仍然还摆在桌子上，没有找到答案；希格斯玻色子的发现将把基础物理学引向何方，对此科学家们同样一无所知。

庆祝还没有冷却，关于新发现的希格斯玻色子的具体数据也还没有公布，有些科学家已经等不及开始追问：这个“希格斯玻色子”到底是什么？它的发现又意味着什么？有很多人认为，找到了标准粒子模型中预测的最后一种粒子，意味着标准粒子模型的“完成”，同时也证明了标准粒子模型在理论上完全正确。实际上这个说法恐怕言之过早，也有可能，这个发现对于标准粒子模型有着完全相反的意味。

标准粒子模型是一个非常完备详细的理论，其中它对于希格斯玻色子的各种性质的描述非常具体，可是根据目前的观测结果而言，人们观测到的希格斯玻色子与标准粒子模型描述的希格斯玻色子略有不同，这其中的意味深长。很多科学家认为，这并不是一件坏事，这也许是物理学中另外一扇大门被打开的信号。标准粒子模型的完成，对于皮特?希格斯一代的物理学家们来说是一个伟大胜利，但是对于新一代的志在完成一个更加宏伟、完备的基础物理学理论的物理学家们来说，一个准确且完备的标准粒子模型却并非好事。一个完备自洽的理论说明它不再需要修改，也不会再有空间接受新的事物。那么，对于标准粒子模型中没有包含的领域（比如引力和暗物质），又当从哪里去寻找答案？对此，标准粒子模型没有给出任何线索。正因为如此，大多数物理学家们并不希望一个完备、封闭的标准粒子模型。很多人希望，这个刚刚被发现的希格斯玻色子是一个“不符合标准粒子模型的希格斯玻色子”，这是一个什么样的粒子，就要从希格斯玻色子的本质开始谈起。

究竟什么是希格斯玻色子？一个粒子需要具有什么样的性质才会被认为是希格斯玻色子？最重要的一点就是它必须是一种通过希格斯场与其他粒子相互作用而赋予其他粒子质量的玻色子，希格斯玻色子的存在揭示了质量的本质。人们关于“质量”到底是什么的追问古已有之，质量一直都被认为是物质的基本性质之一。牛顿力学中定义的物体的质量由其“密度”和“体积”决定，对此，很多人认为这是一个含糊的自圆其说的定义，因为“密度”又需要由质量和体积所决定。在现代物理学中，在研究基本粒子的性质时，科学家们认为质量是粒子的自身属性，只需要精确测定就可以，但是深入研究后才发现，在基础物理学的理论中，一切粒子根本不需要具有质量，按照理论它们都会在空间中以光速运动。这个理论与现实相互矛盾的难题直到1964年才被解决，在由希格斯等科学家构建的标准粒子模型中，一切粒子的质量都是由和希格斯玻色子（希格斯场）相互作用而获得的，这正是希格斯玻色子最重要的特征。

西谚有云：“如果它看起来像一只鸭子，游起来像一只鸭子，叫起来像一只鸭子，那么它可能就是一只鸭子。”刚刚发现的希格斯玻色子正是在各个方面都像是一只符合标准粒子模型的“鸭子”，但是很多物理学家们希望，他们发现的实际上是一只“鹅”。欧洲核子中心的科学家们正在分析希格斯玻色子的各项数据，同时大型重子对撞机在2013年修整升级之前也将一直进行对撞，不断产生新的希格斯玻色子，希望可以尽快测量出希格斯玻色子的各种性质。是否能够构建一个超越标准粒子模型的更加完整的理论，关键就在于全面了解希格斯玻色子。

首先是新粒子的自旋。基本粒子分为构成物质的费米子（Fermion）和传递各种相互作用的玻色子（Boson）两类，其中费米子都具有半整数的自旋，而玻色子都具有整数自旋。新粒子在大型重子对撞机中产生后迅速衰变为两个光子，可以断定这必定是一个玻色子，它可能具有0或是2 的自旋。根据标准粒子模型的预测，希格斯场是一个标量场，希格斯玻色子的自旋为0。但是，如果发现新粒子的自旋为2，那将是一个令人震惊的发现（尽管与目前的观测不符），这意味着物质在空间中的不同方位将具有不同的质量。

在谜底揭开之前，进行各种猜想往往是一件有趣的事情。刚刚发现希格斯玻色子之后，很多人开始怀疑，它是否是一个“基本粒子”，也就是说，它是否是由更加基本的成分组成，而其中又蕴含着人们尚未所知的新的相互作用形式。这个问题并不新奇，在20世纪初人们就发现了质子，此后的70余年中人们都认为它是一种不可再分的基本粒子，直到20世纪70年代，科学家们发现夸克的存在，才明白质子是由更基本的夸克构成，而夸克之间也存在着人们之前所不了解的强相互作用。同样的故事是否会在希格斯玻色子身上上演？在澳大利亚墨尔本进行的国际高能物理学会议上，来自巴塞罗那自治大学的物理学家阿莱克斯?博美罗（Alex Pomarol）对此进行了汇报：根据现有的数据，在理论上确实可能存在一个复合的希格斯玻色子——如果这个假设被验证成立的话，那么接下来物理学家们考虑的将是如何撞击希格斯玻色子，找到其更基本的成分。

是否只存在一种赋予其他粒子质量的希格斯玻色子，这也是个令人感兴趣的话题。根据标准粒子模型的描述，希格斯玻色子会赋予其他所有基本粒子质量——包括所有的费米子和玻色子。根据现有的实验结果，也存在着另外一种可能，就是目前发现的希格斯玻色子只是赋予玻色子质量，而费米子的质量，则是由其他尚未发现的粒子赋予。欧洲核子中心的科学家阿尔伯特?德洛克（Albert De Roeck）认为情况可能正是如此。他指出，在20世纪60年代，皮特?希格斯与其他科学家最初提出这种理论的时候，希格斯玻色子的作用正是赋予所有玻色子质量，在后来出于简化，在理论中希格斯玻色子才用来赋予所有粒子的质量。那么，德洛克说，我们目前所发现的希格斯玻色子可能只是承担它本来的工作而已。

如果说撞击分解希格斯玻色子，猜测希格斯玻色子的作用领域，还属于科学家们一种美好的想象的话，从事超对称（Supersymmetry）理论研究的科学家们对于希格斯玻色子充满期待则有着更充分的理由。尽管与标准粒子模型有一些差别，超对称理论仍然可以算得上是标准粒子模型的一个延伸。但是它涵盖了更广阔的领域，最重要的是，尽管与标准粒子模型中略显不同，在超对称理论中也有对于希格斯玻色子的预测，而且超对称理论涵盖了目前科学家们最感兴趣的物质——占有宇宙总质量80%而人们仍然对其性质一无所知的暗物质。相对于标准粒子模型，超对称理论才算得上是一种“万有理论”，因为它包含了宇宙中人类目前所探知的一切，因此，如果超对称理论能够成立，将意味着人类第一次拥有了一种“万有理论”，这其中的关键也在于希格斯玻色子的性质是否符合超对称理论的描述。

超对称理论预测了数量众多的“超粒子”的存在，但是在大型重子对撞机运行了几年的对撞实验中，人们没有发现任何一种超粒子，很多人开始对这个理论失去信心，认为它只是一个漂亮的数学架构而已。但是如果人们发现希格斯玻色子的性质更符合超对称理论的预测，毫无疑问，这个理论将重新成为理论学家的宠儿。超对称理论预测了至少5种希格斯玻色子的存在，很多物理学家们猜测，目前发现的希格斯玻色子只是这其中的一种而已。

“犹抱琵琶半遮面”最为动人，谜底尚未揭开之时总是最动人心弦。希格斯玻色子正是如此撩拨着人们的好奇心，激发着人们的想象力。各种新奇的猜想层出不穷，这一切也许正是标志着后希格斯时代的来临。2012年10月，皮特?希格斯教授也许将领取象征着物理学最高荣誉的诺贝尔物理奖。但是他所开启的新时代，才刚刚开始；一场物理学界的新变革，也许即将拉开帷幕。

（本文参考了《New Scientist》的相关报道）