我们可以推断出希格斯粒子怎样和其他形式的物质产生相互作用的，因为我们毕竟置身于这片宇宙的海洋中，而且亘古以来我们都在观察大量希格斯粒子的属性。

撰文 | 弗兰克·维尔切克

在很远很远的星系，有一个被水覆盖的星球，那里的鱼进化得非常聪明——有些鱼聪明到变成了物理学家，然后他们就开始研究东西都怎么运动。一开始，这些鱼类物理学家得出了非常复杂的运动规律，因为（我们都知道）物体在水里的运动相当复杂。有一天这些鱼里头冒出一个天才——牛顿鱼，他提出，运动的基本规律不那么复杂而且很美妙：其实，这就是牛顿运动定律。牛顿鱼提出，观察到的运动由于受到一种物质的影响看上去比运动本身更复杂——这种物质被叫作“水”；这个世界充满了“水”。做了好多工作之后，鱼类们终于通过孤立水分子而得以证实牛顿鱼的理论。

按照希格斯机制的说法，我们就像那些鱼类，但我们浸没在一个宇宙的海洋里；就是这个海洋使我们观察到的物理规律变得复杂了。

涵盖了麦克斯韦方程组、杨-米尔斯方程和爱因斯坦广义相对论方程在内的零质量的粒子方程尤为美妙。我们曾经讨论过，这些方程支撑了大量对称——即局域对称。光子以及量子色动力学中的色胶子和引力论中的引力子都不具备质量。为了获得具有美感的方程，也为了让我们对大自然的描述高度一致，我们想用这些零质量的构件搭造世界。

遗憾的是，有几种基本粒子拒绝让我们遂愿。具体来说就是调节弱相互作用的Z玻色子和W玻色子具备相当大的质量。（这就是弱相互作用是短程力的原因，也是弱相互作用在低能量条件下变得微弱的原因。）这些质量很棘手，因为我们刚才已经说过，W和Z在其他方面看上去活脱就像光子。

有没有办法解决这个难题呢？想想光子，当它们穿过某种物质的时候，其运动行为就会受到媒介物质属性的影响。举个熟悉的例子，当光穿过玻璃或者水的时候，光速就会变慢，光比平常变得迟钝，这个现象大致很像光获得了惯性。再举个大家不怎么熟悉的例子，但这个例子对目前的讨论意义更深远——超导体中光子的反应，用方程式描述超导体中的光子，在数学上和有质量粒子的方程相同；在超导体中，光子实际上就变成了质量不为零的粒子。

希格斯机制的实质是这样的：“真空”——既无粒子也无辐射的空间——实际上充满了一种物质媒介使W玻色子和Z玻色子具有质量。这个想法既保全了那些无质量粒子的美妙方程又为尊重事实留了面子。我们需要一种物质，它对于W玻色子和Z玻色子的作用就像超导体之于光子。我们推测的宇宙媒质事实上要产生非常大的质量：W和Z在（非）真空里的质量大约是光子在超导体中质量的10¹⁶倍。

多年来物理学者们一直都在援用希格斯机制并利用它使研究工作佳绩不断。使用无质量粒子和规范对称性的美妙方程，将推导的结果用一种填充空间的媒介物质加以调整，用这个方法可以预测W玻色子和Z玻色子之间的相互作用；包括质量在内，预测的结果在很多方面都非常准确。就这样，我们以一个令人信服的证据证明了我们自己也有一个“宇宙的海洋”存在。但这个证据终究不是直接的，这里有一个明显的问题却找不到明确的答案：宇宙的海洋是什么构成的？

并没有已知的物质可以形成这样的海洋，我们已知的夸克、轻子、胶子以及其他的粒子都不能结合成合适的属性来构成这样的海洋，这里面的物质必须是某种新的东西。

原则上，希格斯的宇宙海洋可能是几种物质组成的复合物，而这几种物质可能本身就很复杂。关于这种复合物的提案在理论粒子物理的文献里即便找不到上千条，起码也有几百条之多。在所有符合逻辑的可能性中有一个所谓的“极小模型”——它最简单也最经济。在这个最小的模型里，那个宇宙的材料只有一个成分。虽然这个课题中的术语非常混乱，也处于不断演化的过程中，但如果我在这里提及“希格斯粒子”，我指的就是那个极小模型里的独一无二的新粒子。

我们可以推断出希格斯粒子怎样和其他形式的物质产生相互作用的，因为我们毕竟置身于这片宇宙的海洋中，而且亘古以来我们都在观察大量希格斯粒子的属性。其实，一旦知道它的质量，我们就可以预测这种粒子的所有性质。譬如，这种粒子的自旋和电荷都必须为零，因为它必须看起来像一个“子虚乌有”的量子。既然我们已经知道想要找的东西，就有可能设计一个聪明的策略来搜寻希格斯粒子。发现希格斯粒子的关键过程就在图1中。

过程的第一步是要将它制造出来，主要的制造机制相当不同凡响。普通物质与希格斯粒子H结合的力度非常薄弱。（这就是电子和质子要比W和Z轻得多的原因——这两种粒子感受不到H带来的阻力。）事实上，起主导作用的耦合不是直接的，需要经过一个间接的过程——“胶子熔合”。这个过程是我在1976年的一次难忘的散步中发现的，我下面会详细讲述这个过程。它就是出现在图1最下方的画面。

胶子并不直接和希格斯粒子耦合，这种耦合是一种纯粹的量子效应。量子力学的一个特征就是允许自发性涨落或者产生“虚粒子”。通常这些涨落的出现和消失，除了会影响附近实粒子的行为并没有明显的迹象。胶子熔合的最重要的过程是胶子向一对由顶夸克t和反顶夸克\bar{t}组成的虚粒子注入能量。正反夸克t和\bar{t}与希格斯粒子的耦合很强，这是一个很重要的理由说明这对夸克为什么很重。这样，这对夸克在消失之前产生出那个神秘的粒子的概率就相当高。

图1. 这张草图描述了通过胶子了解希格斯粒子的过程，实验利用这个过程第一次观察到了希格斯粒子。要描述和理解这个过程就必须同时利用核心理论的诸多要略以及量子理论的深刻原理进行复杂的计算

从质子的碰撞中获取希格斯粒子最有效的方法是让两个分别来自不同质子的胶子发生碰撞，而质子的剩余部分则物化为一个杂乱无章的背景；这个背景通常包含了几十个粒子。

我们现在往图1的顶部看，经过类似的动力学H衰变成两个光子——H→γγ。光子并不会直接与希格斯粒子耦合，而是通过虚粒子对t\bar{t}和虚粒子对W⁺W^-与希格斯粒子暗通款曲。虽然这个衰变的模式非常罕见，但它却是发现H的主要模式，因为从实验的角度看，它具有两大优势：

第一个优势是我们可以比较准确地测量高能光子的能量和动量。根据狭义相对论的运动学原理，结合能量和动量我们就能够确定一个光子对的“有效质量”。如果一个质量为M的粒子衰变成一对光子，那么这对光子的有效质量就会是M。

第二个优势是普通的（非希格斯）过程很难产生高能的“光子对”，因此背景噪声很容易控制。

利用这两大优势实验学者们设计了一个搜索的策略：先对很多“光子对”进行有效质量的测量，找到一个明显高出附近其他“光子对”的特定质量值。

然后，就长话短说吧——成功了!

还有一个额外的惊喜：由于能够可靠地推算背景，相对于背景的增强度可以测量H的产生率乘以它转换成γγ的分支比然后再检查一下测出的增强值是否和最小限度H模型的预测值相符。特别有意思的是，这些率值为我们打开了一扇通向未知世界的窗。具体说就是可能存在其他种类的尚未被发现的重粒子，它们会以虚粒子的形式做贡献！目前为止，实验观察的结果和朴素的极小模型一致，更高的准确度不仅可以实现而且非常令人期待。

本文经授权摘自湖南科学技术出版社出版的《美丽之问：宇宙万物的大设计》（2018年11月，[美]弗兰克·维尔切克/著，兰梅/译，吴飙/校）。）

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