希格斯粒子也沒什麼：科學家正在尋找夠拿5次諾獎的粒子

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忘記希格斯粒子吧：理論家提出了一種新的粒子，它能解釋暗物質和大爆炸等棘手難題。現在他們正在競相尋找它。

歐洲核子研究中心（CERN）掌管一台長達 27 公里的大型強子對撞機（LHC），該對撞機位於法國 - 瑞士邊境的地表之下。CERN 在 2012 年 7 月確認了希格斯玻色子的存在，這讓該機構聲名大噪。但是與 Goertz 現在所尋找的粒子相比，希格斯粒子可謂相形見絀。

希格斯粒子的存在解答了「其他基本粒子是如何獲得質量的」這個科學難題。但 Goertz 所追尋的粒子能夠一舉解決物理學中的五個重大問題，從次原子粒子的運作方式到宇宙起源的奧秘，再到神秘的暗物質到底是什麼等等。牛津大學的粒子理論家 Giulia Zanderighi 說：「解決這些問題中的任何一個都足夠獲得諾貝爾物理學獎，」。

圖 | 世界最大粒子加速器（來源：CERN）

我們可能會想，真的有這麼棒的粒子嗎？聽起來有點不靠譜，但 Goertz 並不是唯一一個正在尋找這種粒子的科學家。他本人在德國海德堡馬克斯普朗克粒子和天體物理研究所工作，但同時也在與世界各地的研究人員展開合作與競爭，來共同描述這種粒子的特性並預測其能力。如果科學家們的設想正確，CERN 的實驗將會證實他們的想法。

要理解這個粒子的重要性，我們首先要定義粒子是什麼。通常我們會將粒子想像成極小的珠子，要麼在空間里漂浮，要麼在固體里緊緊聚在一起。但是要更好的了解粒子，我們就不能使用這種觀點。相反，我們應該認為宇宙中充滿了波動的「場」，當這些「場」發生量子尺度的擾動時，就會以粒子或力的形式被我們觀察到。

希格斯玻色子挺了不起的，但相比之下就顯得「沒什麼」

為了解決不同的物理基本問題，理論家們總是在存在和不存在的領域之間穿梭。然而，每個人都可以猜想新粒子，硬實驗證據卻只能由粒子探測器提供。

希格斯場和希格斯玻色子就是這種情況，它們最初於 1964 年被提出，基於基本粒子的質量解釋弱核力的範圍。此後 50 年人們才找到希格斯粒子。但與此同時，更多的理論漏洞出現了，物理學家只能用更多假想的粒子來填補這些漏洞。

例如，在超對稱理論中，科學家為了同時解決粒子物理學中的三個問題，為每個已知的粒子都假象了一個超對稱粒子（超伴子），並預計在大型強子對撞機（LHC）2009 年首次運行時找到這些假想粒子存在的證據，但無論是 2009 年還是在 2015 年 LHC 升級後的運行中，科學家都沒有找到相關證據。

還有一些理論家則沒那麼「大手筆」，如 2016 年，法國巴黎 - 薩克萊大學的 Guillermo Ballesteros 提出只用添加 6 個額外粒子就能解決五個謎團，這個假設被稱為 SMASH。

但 Goertz 及其合作者來說，6 個粒子解決 5 個問題還是太多了。他們說，與其找一大堆，不如將已經理論化的粒子們合為 1 個？這樣理論家們就能集中精力尋找一個粒子，而不是因為找不到一大堆「假想粒子」而倍感尷尬。

這個粒子就像瑞士軍刀一樣有一系列工具，可以解決各種棘手的問題。這件事要追溯到 1977 年，當時斯坦福大學的 Roberto Peccei 和 Helen Quinn 面臨量子色動力學中最令人煩惱的問題之一，理論描述了質子和中子之間的相互作用。

強 CP 問題指的是，質子或中子內的強作用力應該在某些情況下破壞 CP 對稱性，但事實上卻沒有破壞。CP 對稱性不被破壞的現象需要科學的解釋。Peccei 和 Quinn 提出的解釋則是引入一個的新「場」來抵消看不見的 CP 破壞。

在嘗試證實這一「場」的存在的過程中，諾貝爾獎獲得者 Frank Wilczek 發現這個新的量子場能夠產生一種新的粒子，Wilczek 稱它為「軸子」。

粒子物理學的第二個問題大約在同一時間出現。英國格拉斯哥大學的 Colin Froggatt 和丹麥哥本哈根大學 Niels Bohr 研究所的 Holger Nielsen 為夸克感到頭痛，夸克這種亞原子粒子組合在一起構成質子和中子，也就構成了物質的質量。但是六個夸克各自的質量差異很大，頂夸克是上夸克質量的 80,000 倍。Goertz 說：「人們會覺得各個夸克質量應該大致相同，因此對於實際情況感到很困惑，也就更想理解為什麼存在這種巨大的差異。」

Froggatt 和 Nielsen 提出了「flavon 場」來解決這個問題。「flavon 場」引入了一種對稱性，這種對稱性會被不同的夸克以不同的方式破壞。這導致夸克質量各不相同，該預測與實驗結果相符。

那麼兩個看似不同的粒子如何組成一個呢？在過去的幾年裡，兩組物理學家各自地發現了一個現象：由 flavon 場產生的粒子（flavon 粒子）的一個組成部分與軸子很相似。Goertz 說：「如果軸子是 flavon 粒子的一個組成部分，它就仍然可以解答強 CP 問題。」而同時，flavon 粒子本身又能解決夸克質量不同的問題。

圖 | CERN 的 NA62 實驗可能會發現 axiflavon 粒子（來源：CERN）

軸子和 flavon 粒子的結合物被稱為 axiflavon 或 flaxion 粒子，它能帶來更多好處。自從 20 世紀 70 年代後期以來，物理學家提出假設認為，大爆炸（the big bang）後宇宙經歷了一段超快速的擴張時期。這種空間和時間的擴張可能是由一種稱為「暴脹子（inflaton）」的粒子引發的，有些人推測它實際上可能是軸子或 flavon 粒子。另外，暗物質的候選粒子之一就是軸子。而合而為一的 axiflavon 粒子也可以滿足這兩種假設，即它可能是暴脹子，也可能是暗物質。

「即使現階段只是猜想，都足夠讓人激動了」

如果這還不夠振奮人心，那麼想想 axiflavon 粒子可能還有別的「超級能力」。Goertz 說：「我們正在努力實現更大的統一，那就是將希格斯粒子也統一到 axiflavon 粒子中。」

這是一個非凡的理論上的飛躍，但它可以解決另一個基本問題。當 LHC 在 2012 年發現希格斯玻色子時，它的質量比許多物理學家預計的要小得多。理論認為它應該是 10^19 GeV，但它實際上只有 125 GeV。沒人能解釋這種 17 個數量級的差異。但是一個合適的 axiflavon 粒子或許能讓希格斯粒子的質量在理論範圍內。

總而言之，axiflavon 粒子可以一次性解決物理學中五個最棘手的問題：強相互作用中不被破壞的 CP 對稱性，夸克的不同質量，宇宙的突然膨脹，暗物質的起源和希格斯粒子過輕的質量。Wilczek 說：「在我看來，用一個粒子就能在標準模型之外解決這麼多重大的物理問題是非常了不起的。」

這確實令人興奮，但目前它仍然穩穩噹噹地停留在猜想階段。改變這一點的關鍵在於 911 號樓，也就是是 CERN 的 NA62 實驗的所在地。雖然 NA62 實驗不像 CERN 的其他那些大型實驗一樣聲名赫赫，但它的目標仍然相當重要，即通過研究「夸克- 反夸克對」的衰變來提高我們對夸克的理解。

科學家希望通過 NA62 實驗，在衰變產物的能量中得到意想不到的發現，這些發現能引導科學家找到粒子物理學標準模型之外的東西。由於 axiflavon 粒子的特性，它可能會在實驗中作為衰變產物被證實存在。NA62 的實驗者之一 Babette Dobrich 說，這項實驗「與尋找 axiflavon 粒子所需要進行的分析十分相關」。

這讓 Goertz 感到興奮，但他仍然謹慎地說：「找到這樣一個粒子並非是不可能的。」

豐饒的場

我們或許很快就能得到答案，但是這完全取決於 axiflavon 粒子有多重。Dobrich 說：「axiflavon 粒子的質量是未知的，因此即使它存在，我們也不知道它何時會現身。」不過如果 Goertz 及其同事能成功地將希格斯粒子合併到了 axiflavon 粒子中，那麼科學家就能較為準確的估計 axiflavon 粒子的質量，也就大概知道何時能發現它了。

對「多功能粒子」感興趣的人越來越多。以色列 Weizmann 科學研究所的研究人員提出了他們自己的「瑞士軍刀」粒子——hierarchion，它可以用不同方式完成與 axiflavon 粒子類似的任務。

總而言之，這似乎是粒子物理學中的一個「豐饒時刻」。我們彷彿就在突破的邊緣。劍橋大學的物理學家 David Tong 說：「似乎很多新的場等待發現，但暗物質和宇宙膨脹都強烈表明我們需要新的發現。」

現在的理論學家們想像力可謂無邊無際，但他們仍然受到前幾代科學家們研究成果的約束，比如 Ballesteros 就說：「你不能想像一個新的粒子，並假設它會解決所有的問題，它必須符合理論和實驗方面的限制。」

Goertz 說，現在是粒子物理學家的「黃金時代」，因為有大量新想法可以將許多問題合而為一。特別是 CERN 那個 911 建築可能會找到那個解決多個問題的粒子，然我們祈禱他們真的會找到！

重要的對稱性

找到新粒子可能隱藏的位置是一件棘手的事情。對此，我們擁有的最有效的探尋工具便是「對稱性」。對稱性意味著有些東西即使在其位置或方向等發生變化時，仍然具有相同的外形和行為方式。例如，圓形具有完全旋轉對稱性，而正方形具有「被破壞的（broken）」旋轉對稱性，因為只有當其旋轉 90 度的倍數時看起來才與之前相同，旋轉其他角度則不會。

（來源：Pixabay）

當對稱性被破壞時，物理學家們就應該注意了。劍橋大學的物理學家 David Tong 說：「對稱性被破壞的背後總有一些原因，不會平白無故發生。」

對於粒子物理中出現的更複雜的對稱性尤其如此。你可以將其換成帶相反電荷的反粒子，如果它們的相互作用沒有區別，那就說明它具有對稱性。例如，兩個電子以與兩個正電子完全相同的方式彼此排斥，在電荷反轉的情況下顯示相同的物理現象，我們將其稱為「電荷共軛對稱」。

翻轉重要

另一個關鍵的對稱性是時間反演對稱。想像一下，你正在觀看斯諾克比賽的錄像，看到一個球撞向球桌邊緣後彈開，按倒帶就會看到球又滾回球桌邊緣，但是如果球滾回去的角度與彈開的角度不同，那麼時間反轉對稱就會被打破。

第三個基本對稱性是空間宇稱。這一次，在觀看斯諾克比賽時，你是從鏡子中看的，但如果鏡子中的球滾動方向與屏幕中的不一樣，就意味著奇偶對稱性被破壞了。

有時我們不用去尋找那些對稱性被破壞的情況，而是找到那些對稱性理應被破壞卻沒有破壞的情況。例如，在 1964 年，Murray Gell-Mann 將對稱性應用於粒子物理學的標準模型，認為應該存在一組粒子，這組粒子以某種方式組合在一起會產生質子和中子。Gell-Mann 後來在粒子搜索中發現了他推測存在的「夸克」，並獲得了諾貝爾物理學獎。

我們還可以將一些對稱性結合起來看看是否有新的發現。例如，將電荷共軛對稱和空間對稱結合起來成為 CP 對稱性。如果你實施兩種轉換，系統可能會破壞其中一個或另一個的對稱性，但最終效果卻像是對稱性沒有遭到破壞，比如真實的粒子和其反物質就像是在鏡子中反射，看起來它們總是具有相同的行為方式。

對稱性之所以重要很大程度上正是因為被打破，因為物理的規律，粒子和力都源於對稱性的破壞。對稱性的破壞創造了物理學家 David Gross 所稱的「世界紋理」，他在加州大學聖巴巴拉分校 Kavli 理論物理研究所工作。正是這些考慮使 Florian Goertz 提出能一次解決 5 大物理難題的新粒子，他說：「完全對稱很無聊，如果對稱性稍微破碎，就會發生有趣的事情。」

參考?

www.newscientist.com

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