希格斯玻色子最重要的谜题仍然未解

在某些方面，关于我们所处的物质现实，最深刻的问题莫过于：“宇宙是由什么构成的？” 19世纪初，我们以为答案是：原子。到了20世纪初，答案变得更加丰富：原子本身由原子核和电子组成，电子能够发射和吸收光子——光粒子。然而，1932年中子的发现，以及放射性β衰变之谜的解开，开启了一系列事件，最终形成了我们现代宇宙粒子理论图景：基本粒子标准模型，其中包括夸克、轻子以及所有传递力的玻色子。

尽管2012年希格斯玻色子的发现标志着标准模型中最后一个未被发现的粒子终于被发现，但我们对宇宙构成要素的理解仍然不完整。从整体的角度来看，我们仍有很多未知之处，包括：

• 暗物质和暗能量是由什么构成的（它们不是标准模型中的任何粒子），
• 宇宙膨胀末期的事件如何引发了热宇宙大爆炸，从而形成了我们所知的宇宙。
• 为什么标准模型粒子具有它们所具有的质量和其他性质？
• 以及为什么我们宇宙中存在的粒子绝大多数是由物质而不是反物质构成的。

虽然这种联系可能并不明显，但研究希格斯玻色子的科学家们或许即将解答最后一个问题，前提是他们能够获得关键数据。以下解释了重子生成之谜为何如此引人入胜，以及希格斯场的未发现特性为何可能掌握着解开这一谜题的关键。

根据顶夸克和希格斯玻色子的质量，我们可能生活在量子真空稳定的区域（真真空）、亚稳态的区域（假真空）或不稳定的区域（无法稳定存在）。现有证据表明（但并未证明），我们处于假真空区域，这或许暗示着标准模型并非宇宙中所有可观测粒子的全部。 图片来源：T. Markkanen、A. Rajantie 和 S. Stopyra，《Front. Astron. Space. Sci》，2018 年

每个原子核内只存在两种复合粒子：质子和中子。质子可以稳定地以单质子形式存在，质量为 938.272 MeV。它们由两个上夸克和一个下夸克组成，所有粒子都通过胶子结合在一起。而中子则不能稳定地以单质子形式存在，它们只能处于以下三种状态：

• 作为一个自由中子，它会衰变成一个质子、一个电子，以及（尽管直到 20 世纪 30 年代之后的几十年才被发现）一个反中微子。
• 作为稳定束缚原子核的一部分，质子和中子以足够的能量结合在一起，使得原子核内的中子不会衰变。
• 或者作为不稳定束缚核的一部分，其中束缚的质子和中子可以衰变为更稳定的状态或状态组合，包括原子核内单个中子以与单个自由中子衰变相同的方式衰变。

原因在于，中子的质量不仅比质子略大（静止质量为 939.565 MeV），而且比质子、电子和反中微子加起来的质量也略大。

那么，为什么中子不仅会衰变，而且衰变过程如此漫长：自由中子衰变需要 15 分钟，而富含中子的原子核衰变则需要从几分之一秒到数十亿年不等的时间？

这张图展示了自由中子（或反中子）在亚原子层面的衰变过程。图中左侧红色部分所示的中子（或反中子）内部的下夸克（或反夸克）会释放出一个虚的W⁻（或W⁺）玻色子，自身转化为一个上夸克（或反夸克）。W⁻（或W⁺）玻色子会形成电子/电子反中微子（或正电子/电子中微子）对，而上夸克（或反夸克）则会与剩余的上夸克和下夸克（或反夸克）复合，形成一个质子（或反质子）。目前已知，这就是宇宙中所有β衰变的根本过程。 图片来源：Evan Berkowitz/ 尤利希研究中心，劳伦斯利弗莫尔国家实验室

为了解释这种衰变的存在，我们需要假设一种新的力（弱核力）和一种新的粒子：W玻色子。为了使所有数据都成立，W玻色子的质量必须比质子或中子本身大很多倍。从理论角度来看，这非常奇怪，因为就我们当时对粒子物理学的理解而言，传递力的粒子（即玻色子）必须是无质量的。事实上，有一个著名的定理，即戈德斯通定理，它指出：

• 如果你具有连续对称性，
• 这种对称性会自发地被打破。
• 那么，当这种对称性被打破时，就会产生整数自旋粒子（玻色子）。
• 这些玻色子将没有质量，并且其产生数量与该特定对称性的生成元（或对称性破缺程度）的数量相对应。

在电弱理论中，弱相互作用力和电磁力在对称群SU(2)⊗U(1)下统一，人们可能会预期会产生三个无质量（戈德斯通）玻色子，但这种简单的预测与我们今天的认知存在显著差异。与弱相互作用相关的玻色子共有三种——W⁺、W⁻和Z⁰玻色子——但它们并非无质量：它们是标准模型中四个超重粒子中的两个，另外两个是希格斯玻色子和顶夸克。

宇宙中基本粒子的静止质量决定了它们何时以及在何种条件下产生，也与它们在大爆炸高温时期产生后能够存活多久有关。粒子的质量越大，它在早期宇宙中自发产生的机会就越少，其寿命也就越短。虽然我们可以通过与希格斯玻色子的耦合来解释粒子的质量，但我们无法成功预测它们的具体数值；它们必须通过实验测量才能确定。

如何才能从理论上预测的三个无质量玻色子，演变为电弱对称性破缺时三个不仅有质量，而且超重的玻色子在物理上实际产生呢？尽管我们今天称之为“希格斯机制”，但实际上早在1964年，就有三个不同的团队偶然发现了相同的基本想法：罗伯特·布鲁特和弗朗索瓦·恩格勒，彼得·希格斯（独自一人），以及杰拉尔德·古拉尼克、卡尔·理查德·哈根和汤姆·基布尔。（菲利普·安德森有时也因其1962年发表的关于非常相似的机制的论文而受到赞誉，该机制的应用范围从超导延伸到粒子物理，但他的结果依赖于介质，无法解释该机制在真空中的基本版本。）

一种奇特的新型智能

在标准模型中，希格斯场是一个SU(2)双重态，这意味着它总共有四个自由度。当宇宙冷却并经历电弱相变时，这四个生成元（或场群的“方向”）中的三个会自发破缺，通常会产生戈德斯通玻色子。然而，由于这些戈德斯通玻色子与四个电弱规范玻色子中的三个——即将成为W⁺、W⁻和Z⁰玻色子的玻色子——具有相同的量子数，它们会混合在一起，从而获得巨大的质量。未与戈德斯通玻色子混合的电弱场分量形成了无质量的光子，而希格斯对称性破缺产生的剩余自由度则形成了一种新的标量粒子：有质量的希格斯玻色子，它最早由希格斯本人在1966年预言。

当电弱对称性被打破时，W+玻色子通过W1和W2玻色子的一种组合吞噬带正电的希格斯玻色子而获得质量；W-玻色子通过另一种W1-W2组合吞噬带负电的希格斯玻色子而获得质量；Z0玻色子则通过B玻色子和W3玻色子的一种组合吞噬不带电的希格斯玻色子而获得质量。另一个不带电的希格斯玻色子变成了希格斯玻色子，它在本世纪初由大型强子对撞机（LHC）探测并发现。光子，即W3玻色子和B玻色子的另一种组合，仍然没有质量。 图片来源：Flip Tanedo/量子日记

1967年，希格斯机制与电弱理论的结合促成了现代标准模型的构建；随后，在20世纪70年代初，量子色动力学作为强相互作用理论的出现，完善了我们对当今宇宙中粒子和相互作用的认知图景。希格斯及其同时代人提出的这一新颖机制，最初以及之后很长一段时间内都饱受质疑，直到2010年代初欧洲核子研究中心（CERN）真正发现希格斯玻色子，这些疑虑才得以消除。

正如杰拉尔德·古拉尼克所说：“我们知道我们确实做了一件非常不同寻常、非常令人兴奋的事情，但我们仍然没想到它会与物理现实有关。”

但事实上，这不仅与物理现实息息相关，还告诉我们，宇宙中存在一个弥漫着整个空间的场——希格斯场。正是这个场决定了已知粒子的非零静止质量，例如所有种类的夸克，以及电子及其更重的同类粒子。现在最大的问题是：我们所观测到的希格斯玻色子真的是标准模型希格斯玻色子吗？还是说宇宙中还存在其他粒子——或许是其他类型的希格斯玻色子，或许是更奇异的粒子——它们与希格斯玻色子具有相同的量子数，并与之混合在一起？

当对称性恢复时（图中上方的黄球），一切都是对称的，不存在优先态。当对称性在较低能量下被打破时（图中下方的蓝球），所有方向都相同的自由度便不复存在。以电弱对称性（或希格斯对称性）为例，当它被打破时，会发生一个自发过程，赋予宇宙中的粒子质量。 图片来源：J. Lykken 和 M. Spiropulu，《今日物理学》，2013 年

每当对称性被打破时，你可以把它想象成一个球从山顶或高原（一个不稳定的点）滚落到山脚山谷的最低点。虽然你可能不会想到，但一般来说，这种对称性破缺的过程有两种可能的途径。

• 山丘或高原可以平滑连续，并且没有任何假最低点（或球可能会“卡住”的地方），当球滚下来时，它不会有任何假最低点。
• 或者，除了山脚下的山谷之外，山坡上至少还有一个额外的地方可以让滚动的球“困住”：沿途至少有一个“假最低点”，而不仅仅是山脚下的“真最低点”。

两种情况下，对称性都可以自发破缺。两种情况下都会产生戈德斯通玻色子；两种情况下，如果应用于希格斯机制和电弱对称性，都会产生质量很大的W玻色子、Z玻色子以及希格斯玻色子，同时还会产生一个无质量的光子。

在第一种情况下，如果能量曲线从上到下平滑无误，不存在任何假极小值，那么对称性破缺也必须平滑地进行：随着宇宙从炽热的大爆炸冷却下来，对称性破缺会同时发生，遍及所有区域。宇宙不会陷入任何“假极小值”状态；相反，它会平滑地过渡到真正的真空（或基态）：这是一个二级相变的例子。

在许多物理实例中，你可能会发现自己被困在一个局部的、虚假的能量极小值中，无法到达能量最低的状态，也就是所谓的真实能量极小值。无论你是借助外力（经典力学中可能发生的）跨越这个势垒，还是通过纯粹的量子力学途径（量子隧穿）来跨越，只要不违反基本的守恒定律，从一个状态跃迁到另一个状态总是可能的。这是一个一级相变的例子，而不是没有虚假能量极小值的平滑（二级）相变。 图片来源：Cranberry/Wikimedia Commons

但是，如果存在另一种粒子、一组粒子或新的物理领域与希格斯玻色子或希格斯场相互作用和/或混合（在标准模型的许多扩展中都有考虑），那么希格斯场的对称性破缺可能不是一个平滑的、没有假最小值的转变，而可能是一个势能形状发生变化，变成一级相变的过程：存在一个假最小值，到达真正真空态的唯一方法是从这个假最小值量子隧穿到真正的最小值。

现在，你可能会想问，为什么在对称性破缺的这个阶段发生的势能形状对宇宙如此重要？答案要追溯到关于我们宇宙的一个最大的存在主义问题：为什么宇宙主要由物质构成，而不是由等量相反的反物质构成？

因为要凭空创造出物质-反物质对称性，需要满足三个必要条件，即萨哈罗夫条件。它们是：

1. 一组非平衡状态的条件
2. 足够量的C破坏（电荷共轭对称性破坏）和CP破坏（电荷共轭 + 宇称对称性破坏，两者结合）相互作用，
3. 以及违反重子数定律的相互作用，

这三个条件同时出现。只要这三个条件满足，即使是完全对称的初始条件，也可能（有时甚至是必然地）产生物质-反物质不对称性。

当电弱对称性（对应于希格斯场的对称性）破缺时，CP破坏和重子数破坏的共同作用会导致原本不存在的物质/反物质不对称性出现，这是由于超对称粒子相互作用对例如中微子过剩的影响所致。然而，这种情况只有在电弱相变是一级相变而非标准模型预测的二级相变时才会发生。 图片来源：海德堡大学

就目前而言，在不违背既有物理学原理的前提下，我们宇宙中只有四种现实可行的情景能够从最初的对称状态产生物质-反物质不对称性。其中一种是大统一理论（GUT）的重子生成，它只能在比现有对撞机实验（例如大型强子对撞机，LHC）所能达到的能量高数十亿倍的能量下发生，并且由于缺乏观测到的质子衰变以及现代暴胀理论的反对，这种情景并不被支持。另一种是轻子生成，它也发生在类似的极高且无法观测到的能量范围内。第三种情景是通过阿弗莱克-戴恩机制实现的，它完全依赖于超对称性的存在，并且这种超对称性必须存在于对撞机可观测的尺度上：这与实验结果相悖。

但第四种机制被称为电弱重子生成，我们可以利用现有的对撞机技术进行探测。如果我们只有基本的标准模型，它给出了弱衰变中观测到的C对称性破坏和CP对称性破坏，以及希格斯机制的二阶（平滑滚动）相变，那么我们得到的物质-反物质失配可以忽略不计：它比观测结果小了大约100亿倍。在这种情况下，我们唯一能够获得任何重子生成过程的方式是通过一种被称为“斯法勒子过程”的过程：在这个过程中，重子数（B）和轻子数（L）分别被破坏，但B-L（重子数减去轻子数）的组合守恒。

CMS合作组在2024年的一项研究中，对奇异粒子——底型矢量夸克——进行了搜寻。这些粒子被认为存在于许多涉及额外希格斯玻色子样粒子的场景中，这些粒子会与已知的希格斯玻色子混合。然而，研究并未发现这些粒子的证据，这限制了这些场景以及一级电弱相变的可能存在。 图片来源：CMS合作项目，arXiv:2402.13808，2024

然而，我们知道标准模型并非现实的全部。如果标准模型就是全部，那么以下现象就无法用物理学解释：

• 暗物质
• 暗能量
• 宇宙膨胀，
• 或者说是物质-反物质不对称性，

我们有很多不同的证据指向这四种情况的真实存在。例如，如果存在电弱尺度单态标量场，例如由复合希格斯模型或多重希格斯双重态模型产生的单态标量场，那么导致希格斯对称性破缺的机制可能是一级的（涉及量子隧穿和虚假极小值），而不是二级的（平滑滚动，没有虚假极小值）。

在这种情况下，随着对称性破缺，希格斯场在空间的不同区域可以取不同的值，从而造成严重的非平衡状态。根据存在的C对称性破坏和CP对称性破坏的类型，可能存在足够多的重子数破坏相互作用来解释物质-反物质不对称性的全部，甚至可能存在一些现有对撞机（例如大型强子对撞机）能够探测到的信号，尽管可能需要更高能量的对撞机，或许未来FCC的能量水平能够达到。

值得注意的是，与希格斯粒子混合的高能尺度粒子，包括膨胀子等理论场景，甚至包括标量膨胀的膨胀场景，也可能与希格斯粒子混合，从而导致希格斯机制发生一级相变，以及其他可能在其他地方（例如粒子对撞机甚至引力波探测器）观测到的信号。

如果存在强烈的一级电弱相变，那么除了暴胀产生的引力波背景（黑线）之外，还应该产生一个新的引力波谱（红峰），即将建成的引力波天文台（如即将建成的 LISA）将能够探测到它。 图片来源：P. Simakachorn，欧洲核子研究中心，2022年

揭示新物理学并非只能通过直接证据，例如创造出全新的粒子。我们可以寻找如果存在与希格斯玻色子耦合并混合的额外粒子，那么应该存在的粒子特征。我们可以寻找引力波探测器中出现的相关信号。我们可以制造大量的希格斯玻色子，并寻找任何偏离标准模型纯粹预测的迹象——哪怕偏差达到0.1%、0.01%、0.001%等等。我们甚至可以制造出能量足够高的相对论性夸克-胶子等离子体，尝试直接产生最终会直接违反重子数定律的反应。

当我们大多数人想到实验粒子物理学时，这些通常不是我们首先想到的考量因素。我们想到的是直接发现新粒子以及打破标准模型的可能性：即发现标准模型无法解释的现象。但标准模型本身无法解释的现象包括：

• 暗物质
• 暗能量
• 宇宙膨胀，
• 以及物质-反物质不对称性，

我们必须考虑探索对撞机可观测现象与这些重大存在主义问题之间潜在联系的价值。尽管我们对希格斯玻色子和电弱尺度物理学了解颇多，但我们仍然不知道电弱相变是一级相变还是二级相变。如果自然界眷顾我们，物理学中最伟大的未解之谜之一或许触手可及，因此，为了全人类和我们自身的好奇心，我们有责任尽可能彻底地探索这条可行之路。