没有发生希格斯场衰变的如今，原初黑洞或不存在

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主译：酥油饼

校译：孙宇峰

审阅：牧夫天文校对组

美编：余家劲

后台：李子琦

https://sorae.info/astronomy/20240827-higgs-field-pbh.html

“希格斯场”(※1)是现代宇宙环境的基础，也是所有基本粒子质量的来源。它在宇宙诞生之后的很早的阶段就已经产生，到现在为止没有发生任何变化。另一方面，也有预测认为，现代宇宙中的希格斯场并不是完全稳定的，它实际上一直保持着亚稳定状态。如果现在的希格斯场处于亚稳态，那么朝着更完全的稳定状态衰变的可能性也不是零。在这种情况下，我们所知道的结构也会全部瓦解。这也被称为“希格斯场衰变”或“假真空衰变”。

※1…严格来说，有些质量与希格斯场并无关系，比如基本粒子以亚光速的运动产生的质量。但如果要追溯其源头，也可以追溯到希格斯场产生的质量，因此这里就不赘述了。

伦敦国王学院的Louis Hamaide研究员和他的研究团队从理论上证明了“原初黑洞”在宇宙诞生后不久就形成了，它的蒸发产生了足以瓦解亚稳态希格斯场的能量。但是，由于一些宇宙模型所预言的原初黑洞的数量相当多，而在138亿年的宇宙历史中并没有发生希格斯场的衰变，因此预言与现状并不一致。也就是说，从这个结果来看，我们可以排除几个假设宇宙中产生大量原初黑洞的宇宙模型。

相反，如果原始黑洞存在，就意味着存在一个未知的物理过程在阻止希格斯场的衰变。在这种情况下，这一发现表明存在完全未知的基本粒子或相互作用，因此有必要改写现在的物理学。

【▲ 图1：充满宇宙的原初黑洞概念艺术图。由于原初黑洞的体积太小，实际很难形成吸积盘。（Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center）】

是否存在使希格斯场衰变的现象?

1964年，彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒等人提出了“希格斯机制”，这是解释所有基本粒子质量起源的基础理论。在希格斯机制中，被称为“希格斯场”的场充满了宇宙，存在于其中的基本粒子具有质量。2012年，在大型强子对撞机(LHC)进行的实验中发现了希格斯玻色子，从而确认了希格斯场的实际存在(※2)，对提出希格斯机制做出贡献的希格斯和恩格勒获得2013年的诺贝尔物理学奖(※3)。

※2…更严密的说法是，希格斯场的量子化产物就是希格斯玻色子。

※3…不过，在同一时期，其他研究者也提出了与希格斯机制相同的理论。希格斯为了表示对同一时期的提出者的敬意，提出这个理论应该以希格斯等8人的首字母命名为“ABEGHHK'tH机制”。

自希格斯场产生到变成现在的状态，是宇宙诞生后的1兆分之1秒内发生的事情。标准的宇宙论假设希格斯场不会再发生变化，处于最稳定的状态。但是从理论上来说，现在的希格斯场并不是真正稳定的状态，而是在很长一段时间内会衰变的亚稳态，这种可能性并没有被排除。在这种情况下，如果这个状态持续很长时间，就有可能走向真正稳定的状态。如果现在的希格斯场衰变的话，因为所有基本粒子的质量都会改变，包括我们自己在内，宇宙的所有结构都会瓦解。

这种现象也被称为“希格斯场衰变”或“假真空衰变”。

但是，我们没有必要马上担心希格斯场的衰变。因为无论是多么悲观的评价,人们考虑希格斯场的衰变都在10^65年之后才会发生。在这之前更早的时代，所有的恒星都停止了发光，所有的原子也都衰变了(※4)。不过，引发希格斯场衰变的主要原因是什么呢?

※4……据说，在100兆年以后，恒星才不再诞生，所有恒星都将寿正终寝。而原子的主要组成物质子衰变殆尽是在距今10^43年后。

例如前面提到的LHC，由于进行的是高能粒子对撞实验，有人担心会导致黑洞的形成和希格斯场的衰变。不过，在宇宙中，诸如上帝粒子和天照粒子等能量比LHC高得多的粒子之间的碰撞非常频繁，因此不必担心LHC和下一代加速器实验会导致希格斯场衰变。不如说这反而表明，尽管宇宙中高能量现象频繁发生，希格斯场却不会轻易衰变。

原初黑洞的蒸发会导致希格斯场的衰变！但是……

【▲图2：没有原初黑洞的宇宙（上侧）和有原初黑洞的宇宙（下侧）各自的历史。如果有原初黑洞的话，因为物质会受到其引力影响而集中，所以在宇宙历史的早期阶段恒星和银河就形成了。(Credit: ESA)】

在这样的背景下，Hamaide的研究团队关注的是“原初黑洞”。原初黑洞被认为是在早期宇宙中与希格斯场同时形成的极轻黑洞。有一种说法说它是只有通过引力才能知晓其存在的“暗物质”的一部分，还有一种说法是暗物质对早期恒星和星系的形成起到了辅助作用等等，在宇宙学中作为十分有趣的存在而广为人知。

而且，由于原初黑洞非常轻，在被称为“霍金辐射”的过程中，会一点点地失去质量，最后一边释放大量的辐射一边消失。这种现象被称为“黑洞蒸发”。从远处观察，原初黑洞的蒸发被预测为类似超新星爆炸的高能现象，通过观测蒸发过程来确认原初黑洞实际存在的研究也在进行中。

但是，按照标准的宇宙学所预测的原初黑洞的数量来看，我们应该在很早以前就可以观测到原初黑洞的蒸发现象了，但实际上到目前为止还没有发现一个确定的候选事件。因此，有修正方案认为原初黑洞的数量可能比先前预测的数量更少，但也有人提出原初黑洞可能根本就不存在。

Hamaide等人考察并验证了原初黑洞蒸发产生的高能环境是否足以使希格斯场衰变。按照现在的理论，从希格斯场形成到现在，质量小于10亿吨的原初黑洞应该已经蒸发了。

验证的结果表明，在原初黑洞蒸发之前，会产生足以导致希格斯场衰变的高温热点。也就是说，如果原初黑洞真的存在的话，宇宙在大约138亿年的历史中，随时都会发生希格斯场的衰变。但是实际上，希格斯场显然并没有衰变。

解决希格斯场没有衰变这一矛盾的方法

理论上来说，希格斯场应该随时都在衰变，但实际上并非如此，这种矛盾有两种假设。第一种假设是原初黑洞的数量比过去认为的要少得多，或者根本不存在。在这种情况下，很多预测会产生多样原初黑洞的宇宙模型都被否定了。在这个假说的基础上，作为宇宙模型基础的宇宙学需要被改写。

第二种假设认为，原初黑洞确实存在，并且实际上已经蒸发，但是希格斯场的衰变并没有发生。在这种情况下，尽管蒸发已经具备了足以使希格斯场衰变的条件，但还是会产生某种防止衰变的作用。虽然这是目前物理学完全无法预测的现象，但由于黑洞蒸发理论还有很多未知的部分，因此也不是没有可能性。如果我们的假设是正确的，因为它预言了未知的基本粒子和相互作用，所以有很重要的意义。

此次研究的作者之一Lucien Heurtier研究员表示，正如此次的论文所显示的那样，宇宙中从小世界到大世界还存在许多未解之谜。

Source

Louis Hamaide, et al. “Primordial black holes are true vacuum nurseries”. (Physics Letters B)

Lucien Heurtier. “The Higgs particle could have ended the universe by now – here’s why we’re still here”. (The Conversation)

责任编辑：甘林

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原初黑洞的一生

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