希格斯粒子也没什么：科学家正在寻找够拿5次诺奖的粒子

　　忘记希格斯粒子吧：理论家提出了一种新的粒子，它能解释暗物质和大爆炸等棘手难题。现在他们正在竞相寻找它。

　　欧洲核子研究中心（CERN）掌管一台长达 27 公里的大型强子对撞机（LHC），该对撞机位于法国 - 瑞士边境的地表之下。CERN 在 2012 年 7 月确认了希格斯玻色子的存在，这让该机构声名大噪。但是与 Goertz 现在所寻找的粒子相比，希格斯粒子可谓相形见绌。

　　希格斯粒子的存在解答了“其他基本粒子是如何获得质量的”这个科学难题。但 Goertz 所追寻的粒子能够一举解决物理学中的五个重大问题，从次原子粒子的运作方式到宇宙起源的奥秘，再到神秘的暗物质到底是什么等等。牛津大学的粒子理论家 Giulia Zanderighi 说：“解决这些问题中的任何一个都足够获得诺贝尔物理学奖，”。

　　

　　图 | 世界最大粒子加速器（来源：CERN）

　　我们可能会想，真的有这么棒的粒子吗？听起来有点不靠谱，但 Goertz 并不是唯一一个正在寻找这种粒子的科学家。他本人在德国海德堡马克斯普朗克粒子和天体物理研究所工作，但同时也在与世界各地的研究人员展开合作与竞争，来共同描述这种粒子的特性并预测其能力。如果科学家们的设想正确，CERN 的实验将会证实他们的想法。

　　要理解这个粒子的重要性，我们首先要定义粒子是什么。通常我们会将粒子想象成极小的珠子，要么在空间里漂浮，要么在固体里紧紧聚在一起。但是要更好的了解粒子，我们就不能使用这种观点。相反，我们应该认为宇宙中充满了波动的“场”，当这些“场”发生量子尺度的扰动时，就会以粒子或力的形式被我们观察到。

　　希格斯玻色子挺了不起的，但相比之下就显得“没什么”

　　为了解决不同的物理基本问题，理论家们总是在存在和不存在的领域之间穿梭。然而，每个人都可以猜想新粒子，硬实验证据却只能由粒子探测器提供。

　　希格斯场和希格斯玻色子就是这种情况，它们最初于 1964 年被提出，基于基本粒子的质量解释弱核力的范围。此后 50 年人们才找到希格斯粒子。但与此同时，更多的理论漏洞出现了，物理学家只能用更多假想的粒子来填补这些漏洞。

　　例如，在超对称理论中，科学家为了同时解决粒子物理学中的三个问题，为每个已知的粒子都假象了一个超对称粒子（超伴子），并预计在大型强子对撞机（LHC）2009 年首次运行时找到这些假想粒子存在的证据，但无论是 2009 年还是在 2015 年 LHC 升级后的运行中，科学家都没有找到相关证据。

　　还有一些理论家则没那么“大手笔”，如 2016 年，法国巴黎 - 萨克莱大学的 Guillermo Ballesteros 提出只用添加 6 个额外粒子就能解决五个谜团，这个假设被称为 SMASH。

　　但 Goertz 及其合作者来说，6 个粒子解决 5 个问题还是太多了。他们说，与其找一大堆，不如将已经理论化的粒子们合为 1 个？这样理论家们就能集中精力寻找一个粒子，而不是因为找不到一大堆“假想粒子”而倍感尴尬。

　　这个粒子就像瑞士军刀一样有一系列工具，可以解决各种棘手的问题。这件事要追溯到 1977 年，当时斯坦福大学的 Roberto Peccei 和 Helen Quinn 面临量子色动力学中最令人烦恼的问题之一，理论描述了质子和中子之间的相互作用。

　　强 CP 问题指的是，质子或中子内的强作用力应该在某些情况下破坏 CP 对称性，但事实上却没有破坏。CP 对称性不被破坏的现象需要科学的解释。Peccei 和 Quinn 提出的解释则是引入一个的新“场”来抵消看不见的 CP 破坏。

　　在尝试证实这一“场”的存在的过程中，诺贝尔奖获得者 Frank Wilczek 发现这个新的量子场能够产生一种新的粒子，Wilczek 称它为“轴子”。

　　粒子物理学的第二个问题大约在同一时间出现。英国格拉斯哥大学的 Colin Froggatt 和丹麦哥本哈根大学 Niels Bohr 研究所的 Holger Nielsen 为夸克感到头痛，夸克这种亚原子粒子组合在一起构成质子和中子，也就构成了物质的质量。但是六个夸克各自的质量差异很大，顶夸克是上夸克质量的 80,000 倍。Goertz 说：“人们会觉得各个夸克质量应该大致相同，因此对于实际情况感到很困惑，也就更想理解为什么存在这种巨大的差异。”

　　Froggatt 和 Nielsen 提出了“flavon 场”来解决这个问题。“flavon 场”引入了一种对称性，这种对称性会被不同的夸克以不同的方式破坏。这导致夸克质量各不相同，该预测与实验结果相符。

　　那么两个看似不同的粒子如何组成一个呢？在过去的几年里，两组物理学家各自地发现了一个现象：由 flavon 场产生的粒子（flavon 粒子）的一个组成部分与轴子很相似。Goertz 说：“如果轴子是 flavon 粒子的一个组成部分，它就仍然可以解答强 CP 问题。”而同时，flavon 粒子本身又能解决夸克质量不同的问题。

　　

　　图 | CERN 的 NA62 实验可能会发现 axiflavon 粒子（来源：CERN）

　　轴子和 flavon 粒子的结合物被称为 axiflavon 或 flaxion 粒子，它能带来更多好处。自从 20 世纪 70 年代后期以来，物理学家提出假设认为，大爆炸（the big bang）后宇宙经历了一段超快速的扩张时期。这种空间和时间的扩张可能是由一种称为“暴胀子（inflaton）”的粒子引发的，有些人推测它实际上可能是轴子或 flavon 粒子。另外，暗物质的候选粒子之一就是轴子。而合而为一的 axiflavon 粒子也可以满足这两种假设，即它可能是暴胀子，也可能是暗物质。

　　“即使现阶段只是猜想，都足够让人激动了”

　　如果这还不够振奋人心，那么想想 axiflavon 粒子可能还有别的“超级能力”。Goertz 说：“我们正在努力实现更大的统一，那就是将希格斯粒子也统一到 axiflavon 粒子中。”

　　这是一个非凡的理论上的飞跃，但它可以解决另一个基本问题。当 LHC 在 2012 年发现希格斯玻色子时，它的质量比许多物理学家预计的要小得多。理论认为它应该是 10^19 GeV，但它实际上只有 125 GeV。没人能解释这种 17 个数量级的差异。但是一个合适的 axiflavon 粒子或许能让希格斯粒子的质量在理论范围内。

　　总而言之，axiflavon 粒子可以一次性解决物理学中五个最棘手的问题：强相互作用中不被破坏的 CP 对称性，夸克的不同质量，宇宙的突然膨胀，暗物质的起源和希格斯粒子过轻的质量。Wilczek 说：“在我看来，用一个粒子就能在标准模型之外解决这么多重大的物理问题是非常了不起的。”

　　这确实令人兴奋，但目前它仍然稳稳当当地停留在猜想阶段。改变这一点的关键在于 911 号楼，也就是是 CERN 的 NA62 实验的所在地。虽然 NA62 实验不像 CERN 的其他那些大型实验一样声名赫赫，但它的目标仍然相当重要，即通过研究“夸克- 反夸克对”的衰变来提高我们对夸克的理解。

　　科学家希望通过 NA62 实验，在衰变产物的能量中得到意想不到的发现，这些发现能引导科学家找到粒子物理学标准模型之外的东西。由于 axiflavon 粒子的特性，它可能会在实验中作为衰变产物被证实存在。NA62 的实验者之一 Babette Dobrich 说，这项实验“与寻找 axiflavon 粒子所需要进行的分析十分相关”。

　　这让 Goertz 感到兴奋，但他仍然谨慎地说：“找到这样一个粒子并非是不可能的。”

　　丰饶的场

　　我们或许很快就能得到答案，但是这完全取决于 axiflavon 粒子有多重。Dobrich 说：“axiflavon 粒子的质量是未知的，因此即使它存在，我们也不知道它何时会现身。”不过如果 Goertz 及其同事能成功地将希格斯粒子合并到了 axiflavon 粒子中，那么科学家就能较为准确的估计 axiflavon 粒子的质量，也就大概知道何时能发现它了。

　　对“多功能粒子”感兴趣的人越来越多。以色列 Weizmann 科学研究所的研究人员提出了他们自己的“瑞士军刀”粒子——hierarchion，它可以用不同方式完成与 axiflavon 粒子类似的任务。

　　总而言之，这似乎是粒子物理学中的一个“丰饶时刻”。我们仿佛就在突破的边缘。剑桥大学的物理学家 David Tong 说：“似乎很多新的场等待发现，但暗物质和宇宙膨胀都强烈表明我们需要新的发现。”

　　现在的理论学家们想象力可谓无边无际，但他们仍然受到前几代科学家们研究成果的约束，比如 Ballesteros 就说：“你不能想象一个新的粒子，并假设它会解决所有的问题，它必须符合理论和实验方面的限制。”

　　Goertz 说，现在是粒子物理学家的“黄金时代”，因为有大量新想法可以将许多问题合而为一。特别是 CERN 那个 911 建筑可能会找到那个解决多个问题的粒子，然我们祈祷他们真的会找到！

　　重要的对称性

　　找到新粒子可能隐藏的位置是一件棘手的事情。对此，我们拥有的最有效的探寻工具便是“对称性”。对称性意味着有些东西即使在其位置或方向等发生变化时，仍然具有相同的外形和行为方式。例如，圆形具有完全旋转对称性，而正方形具有“被破坏的（broken）”旋转对称性，因为只有当其旋转 90 度的倍数时看起来才与之前相同，旋转其他角度则不会。

　　

　　（来源：Pixabay）

　　当对称性被破坏时，物理学家们就应该注意了。剑桥大学的物理学家 David Tong 说：“对称性被破坏的背后总有一些原因，不会平白无故发生。”

　　对于粒子物理中出现的更复杂的对称性尤其如此。你可以将其换成带相反电荷的反粒子，如果它们的相互作用没有区别，那就说明它具有对称性。例如，两个电子以与两个正电子完全相同的方式彼此排斥，在电荷反转的情况下显示相同的物理现象，我们将其称为“电荷共轭对称”。

　　翻转重要

　　另一个关键的对称性是时间反演对称。想象一下，你正在观看斯诺克比赛的录像，看到一个球撞向球桌边缘后弹开，按倒带就会看到球又滚回球桌边缘，但是如果球滚回去的角度与弹开的角度不同，那么时间反转对称就会被打破。

　　第三个基本对称性是空间宇称。这一次，在观看斯诺克比赛时，你是从镜子中看的，但如果镜子中的球滚动方向与屏幕中的不一样，就意味着奇偶对称性被破坏了。

　　有时我们不用去寻找那些对称性被破坏的情况，而是找到那些对称性理应被破坏却没有破坏的情况。例如，在 1964 年，Murray Gell-Mann 将对称性应用于粒子物理学的标准模型，认为应该存在一组粒子，这组粒子以某种方式组合在一起会产生质子和中子。Gell-Mann 后来在粒子搜索中发现了他推测存在的“夸克”，并获得了诺贝尔物理学奖。

　　我们还可以将一些对称性结合起来看看是否有新的发现。例如，将电荷共轭对称和空间对称结合起来成为 CP 对称性。如果你实施两种转换，系统可能会破坏其中一个或另一个的对称性，但最终效果却像是对称性没有遭到破坏，比如真实的粒子和其反物质就像是在镜子中反射，看起来它们总是具有相同的行为方式。

　　对称性之所以重要很大程度上正是因为被打破，因为物理的规律，粒子和力都源于对称性的破坏。对称性的破坏创造了物理学家 David Gross 所称的“世界纹理”，他在加州大学圣巴巴拉分校 Kavli 理论物理研究所工作。正是这些考虑使 Florian Goertz 提出能一次解决 5 大物理难题的新粒子，他说：“完全对称很无聊，如果对称性稍微破碎，就会发生有趣的事情。”

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