升級后的LHC將對希格斯粒子的屬性進行深入細致地探測

1964年，英國科學家彼得·希格斯提出了希格斯場的存在，并進而預言了希格斯玻色子的存在，假設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。有些科學家認為，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。

丹麥南丹麥大學的粒子物理學家托馬斯·瑞特弗4月2日對美國趣味科學網(wǎng)站表示，要想找到這些組成希格斯玻色子的粒子，我們需要對目前世界上最大的粒子加速器——大型強子對撞機（LHC）進行升級或者研制下一代粒子對撞機才行?！敖?jīng)過仔細梳理，我們找出了幾個理論，可用來解釋希格斯粒子和希格斯機制?！?/p>

2012年，科學家們在LHC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科學家弗蘭西斯·恩格勒摘得2013年諾貝爾物理學獎的桂冠。

即使希格斯這樣的基本粒子也有一個未解之謎。

科學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，物理學研究表明，當在量子水平上觀察時，真空并非空無一物，而是充滿了起伏不定的“虛粒子”，虛粒子對不斷產(chǎn)生并快速湮滅。

瑞特弗解釋道，當希格斯粒子通過真空時，它們應該會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)測量質(zhì)量的1017，因此，希格斯粒子此時的質(zhì)量應該能與普朗克質(zhì)量（約等于2.18×10-8千克）相當。瑞特弗說：“問題在于，為什么希格斯粒子的測量質(zhì)量比普朗克質(zhì)量少這么多呢？這真是個問題?！?/p>

因為這種質(zhì)量增加沒有發(fā)生，所以，統(tǒng)轄粒子物理學的支配理論——標準模型需要進行更高程度的精調(diào)，才能糾正希格斯粒子的測量質(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，要想在最基礎的尺度上描述所有物質(zhì)，我們需要對標準模型進行很多精調(diào)。”

為了不進行這種精調(diào)，而仍然能回答希格斯質(zhì)量的問題，物理學家們提出對標準模型進行擴展和延伸，其中最著名的就是超對稱理論。這一理論認為，標準模型中的每個粒子都存在著一個質(zhì)量更大的超級對稱粒子“超粒子（Sparticle）”。超粒子應該能抵消真空中虛粒子的影響，減少希格斯粒子的質(zhì)量，從而使標準模型不再需要精調(diào)。但迄今為止，科學家們沒有發(fā)現(xiàn)任何理論上的超對稱粒子的“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合粒子，“研究結果表明，只有將技夸克考慮在內(nèi)，才不會出現(xiàn)我們上述的質(zhì)量問題?！?/p>

其實，自上世紀70年代末，就有人提出了這種涵蓋技夸克的想法，最近，科學家們對最初的模型進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為，希格斯粒子必須擁有內(nèi)部結構，而且，他們也找出了一些理論，“這些理論都很堅定地認為，希格斯粒子確實由某些基本成分組成，這些理論能很好地解決標準模型的精調(diào)問題，并讓亞原子世界進入和諧狀態(tài)?！?/p>理解暗物質(zhì)

理論物理學家基莫·圖奧米寧并沒有參與瑞特弗的研究，他接受美國趣味科學網(wǎng)站采訪時表示，盡管希格斯粒子的結構仍然成謎，但“技夸克”是一種可能性，未來，我們應該對此進行更深入徹底的研究。

當萬眾矚目的LHC于2015年再次啟動時，它或許能以14TeV（萬億電子伏）的最大對撞能量進行對撞，從而對希格斯粒子的屬性進行深入細致地探測。

圖奧米寧說：“在更高對撞能量下收集到的數(shù)據(jù)或許能使我們對藝彩模型進行檢測，如果我們發(fā)現(xiàn)希格斯粒子確實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我們對于暗物質(zhì)的理解?！?/p>

編輯：劉芳宇