2012年7月4日，歐洲核子中心（CERN）宣布找到了一直在尋覓的希格斯玻色子。這種遁形粒子的最終發現填補了標準模型最后一個空白，同時也為我們了解希格斯場提供了新的窗口，讓科學家可以進一步認識之前未被研究的一種能賦予粒子質量的相互作用。

10年間，CERN的大型強子對撞機（LHC）團隊先后發表了近350篇關于希格斯玻色子的科研論文，但它所代表的宇宙奧秘還遠沒有被完全揭開。

科學家已知的5件事

希格斯玻色子的質量為125千兆電子伏特 LHC在2009年開始為了尋找希格斯粒子收集數據，而LHC的通用探測器ATLAS和CMS在2012年同時發現了它。這兩個探測器觀測到了十幾個希格斯玻色子衰變成光子、W玻色子和Z玻色子，同時有一個信號出現在了125千兆電子伏特（GeV）的位置——這一質量約為質子的125倍。

125 GeV的質量讓希格斯玻色子處于一個最佳區間，這意味著該玻色子衰變成各種粒子的頻率足夠高，能被LHC實驗檢測到。

希格斯玻色子是一種自旋為零的粒子 在量子力學上，自旋是粒子的一種內稟屬性，就像粒子內部的條形磁鐵。其他已知的基本粒子自旋為1/2或1，但根據理論，與眾不同的希格斯粒子自旋為零。

2013年，CERN通過實驗研究了希格斯玻色子衰變產生的光子會從什么角度進入探測器，并利用這一信息證明了希格斯粒子自旋為零的概率很大。

希格斯粒子的屬性推翻了標準模型的一些擴展理論 物理學家承認標準模型并不完備，比如它在高能條件下并不成立，也無法解釋一些重要的觀測結果，比如暗物質的存在或是宇宙中反物質為何那么少。為了解釋這些現象，物理學家對標準模型進行了擴展。

希格斯玻色子與其他粒子的相互作用與標準模型的預測一致 根據標準模型的理論，一個粒子的質量取決于它與希格斯場的相互作用強度。雖然希格斯粒子——就像希格斯場中的漣漪——在這個過程中不起任何作用，但希格斯玻色子衰變成其他特定粒子的速度或是這種粒子產生希格斯玻色子的速度，可作為衡量該粒子與希格斯場相互作用強度的指標。LHC的實驗已經證實，至少對于希格斯粒子衰變中產生頻率最高的那些最重的粒子來說，它們的質量與希格斯場的作用強度是成比例的——這一發現對于一個提出已有60年的理論來說無疑是一次重大勝利。

宇宙是穩定的——但程度只是剛剛好 基于希格斯玻色子的質量展開的計算發現，宇宙可能只是暫時穩定，仍有非常小的概率會進入更低的能量狀態，造成不堪設想的后果。

和其他已知場不同，希格斯場即使在真空中，最低能量態也高于零，而且它滲透了整個宇宙。根據標準模型的理論，這種“基態”取決于粒子如何與希格斯場交互作用。就在物理學家得到希格斯玻色子的質量后不久，理論學家就用這個值（和其他測量值）預測到還有一個更低、更穩定的能量態。

進入這一種狀態需要突破巨大的能量壁壘，而且這種情況發生的概率很小，以至于不太可能在這個宇宙的生命周期里發生。

科學家還想知道的5件事

對希格斯粒子的測量結果還能更精確嗎 目前為止，希格斯玻色子的屬性，如相互作用強度與標準模型的預測一致，但不確定度在10%左右。這還不足以揭示新的物理理論與標準模型之間非常小的預測差異。

更多數據能提高這類測量值的精度，LHC現在收集到的數據只占其目標的1/20。在精確研究中發現提示新現象的信號，比直接觀測到新粒子的可能性更大。至少在下一個10年里，精準才是最重要的。

希格斯粒子會和更輕的粒子相互作用嗎 目前來看，希格斯玻色子的相互作用似乎符合標準模型的理論，但物理學家迄今只看到它衰變成一些最重的物質粒子，如底夸克等。現在，物理學家想要知道希格斯粒子是否會和來自更輕粒子家族（也稱世代）的粒子發生同樣的相互作用。2020年，CMS和ATLAS發現了這種相互作用——一個希格斯粒子罕見衰變成了電子的第二代表親μ子。雖然這說明質量與相互作用強度的關系對于更輕的粒子也同樣適用，但物理學家加以證實還需要更多數據。

希格斯粒子會自相互作用嗎 既然希格斯玻色子有質量，那它就會和自己相互作用。但這種相互作用非常罕見，比如高能希格斯粒子衰變成兩個能量較低的粒子，因為參與其中的粒子都太重了。ATLAS和CMS希望LHC在2026年升級換代后，能捕捉到顯示這種相互作用存在的信號，但獲得決定性的證據可能需要一臺更強大的對撞機。

這種自相互作用的速度是我們理解宇宙的關鍵。自相互作用的概率由希格斯場的勢能在接近其最小值時的變化決定，這也是大爆炸剛結束時的狀態。因此，了解希格斯粒子自相互作用或能幫助科學家理解早期宇宙的動力學變化。

希格斯玻色子的壽命是多少 物理學家想知道希格斯粒子的壽命有多長，也就是它在衰變成其他粒子前平均能存在多久，因為與預測值的任何偏差都可能預示它與未知粒子的交互作用，比如組成暗物質的粒子。但希格斯粒子的壽命太短，無法直接測量。

如果要間接測量，物理學家就要觀察該粒子的能量在多個測量值的分布，或稱“寬度”。去年，物理學家得到了對希格斯粒子壽命的首個粗略測量值：2.1×10-22秒。該結果顯示，其壽命與標準模型的預測是一致的。

有任何新奇的預測被證實了嗎 標準模型的一些擴展理論預言，希格斯玻色子并不是基本粒子，而是和質子一樣，由其他粒子組成的。還有理論認為，希格斯玻色子有好幾種，這些粒子行為上相似但在電荷或自旋上稍有不同。除了驗證希格斯粒子是否是標準模型粒子之外，LHC實驗還將對其他理論預測的粒子屬性進行驗證，包括是否會衰變成不可能出現的粒子組合。

來源: Nature Portfolio微信公眾

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