“上帝粒子”发现以后，粒子化学学家还在期盼哪些？
虎嗅.08.0216:44
六年前，2012年7月4日，法国核子研究中心（CERN）宣布发觉希格斯粒子。这个也称“上帝粒子”的基本物质对学术界和公众都形成了巨大影响——它最终的发觉印证了60年前的理论预言，被觉得弥补了粒子化学标准模型最后一块空白；同时登上世界各地媒体的头条，宣告了基础数学学的又一次胜利。但是，标准模型的不完美使许多问题仍未有答案，六年间粒子化学学家并没有再度迎来这样的胜利，只是看见些许“裂痕”，她们还在期盼希格斯粒子能给与更多的答案。
本文来自陌陌公众号：返朴（ID：），作者：瞿立建，原文标题：《希格斯粒子发觉以后，粒子化学学家还在期盼哪些？》，题图：诺贝尔化学学奖得主彼得·希格斯，图片来自
2012年7月4日，法国核子研究中心（CERN），粒子化学学家济济一堂，来听一次非同寻常的学术报告——发现希格斯粒子的实验结果的报告。实验结果在幻kt板上呈现下来时，会场掌声雷动，与会者激动的内心似乎感遭到了希格斯场，忽然沉甸甸的，为自身能参与创造这样的历史时刻而兴奋。
法国核子中儒学术报告厅里科学家欢声雷动
现场之外，世界各地的粒子化学学家通过视频直播见证这一时刻。
日本电子加速器比萨研究中心的化学学家在观看视频直播
日本费米实验室的化学学家，舍弃独立日放假，午夜收看视频直播。
对这一纯科学发觉兴奋不已的不仅仅有科学家，还有普通公众。
一、公众反响
报告会以后，CERN举行新闻发布会，向公众披露这一纯数学新闻，各大报纸头版头条给以报导。其他传媒也涌入这个选题，出版社推出多种相关的科普书，多部位列畅销书榜，电视台约请各路科学家步入演播室，向听众释疑解惑，多部相关纪录片在大小屏幕播放。
CERN搜集的世界各大报对发觉希格斯玻骰子新闻的报导
希格斯玻骰子成了当初最热门的公众话题，科学和科普交相映衬。次年，希格斯玻骰子相关理论的两位提出者，美国数学学家希格斯（PeterHiggs）和德国化学学家弗朗索瓦·恩格勒（François），共同获得诺贝尔化学奖，再度将“上帝粒子”的盛会推向。
为什么有此等盛况？这与科学家和科普诗人在多年前提早的“布局”和预热有很大关系。
早在1993年，诺贝尔奖得主利昂·莱德曼及其专著者出版了科普书《上帝粒子》（TheGod），这本书让人提到希格斯粒子言必称上帝粒子。
《上帝粒子》（TheGod）第一版，1993年
《上帝粒子》中文版，2003年
还有另外一个风波迸发了公众的想像力。
1993年，加拿大科学重臣征集面向公众的希格斯场和希格斯粒子最佳解释，奖励为一瓶香槟。最终巴黎学院大学的大卫·米勒院长博得了这瓶香槟。米勒院士把希格斯场称作一群摩肩蜂拥的鸡尾酒会出席者，一个普通人可以轻松穿过人群，而一个大咖走来，会顿时吸引人围过来，大咖穿过人群就会很费力。希格斯场与粒子作用与之类似：粒子会吸引希格斯场过来，减低自己的行进速率，降低得越多，代表希格斯场赋给该粒子的质量越大。
希格斯场可类比为鸡尾酒会出席者
这个类比可能会让普通人认为自己也懂希格斯机制了。
然而，这种事情只能解释西方人对希格斯的热情，难以解释世界其他地方——比如中国——人们对发觉希格斯粒子相关科学新闻的热情。虽然《上帝粒子》的英文版也不是畅销书，鸡尾酒会上不撸串，更不会对“上帝”感兴趣。这说明一件事：公众对基础科学的好奇心和热情超出我们的刻板印象。
希格斯粒子研究在学界和公众里都迎来了高光时刻。相关研究是不是就此落幕？
并不是。
对希格斯玻骰子的研究如同探宝，找到希格斯粒子知识就找到了宝藏，但还没有把宝物挖掘下来。过去六年里，粒子化学学家们一直保持着最初的激动，进行着探宝活动。粒子化学学家希望挖到的宝物是，能解决标准模型还不能给出标准答案的一些问题，例如暗物质是哪些？物质为何比反物质多？宇宙怎么起源并迈向何种命运？
标准模型中的粒子。红色部份为夸克，夸克有6种味，每种味有3种色，每种夸克都有反夸克，总计36种夸克。红色部份为轻子，轻子有6种味，没有色，有反粒子，总计12种轻子。图中夸克和轻子排成3列，每一列构成物质的一代。夸克和轻子左侧一列是规范玻骰子，其中胶子有8种色，没有反粒子，光子和Z玻骰子各只有一种，W玻骰子有反粒子，总计2种。最右侧粒子是希格斯玻骰子，只有1种。标准模型总计61种基本粒子
如今，我们瞧瞧，未来都会有哪些大新闻。
二、耦合
希格斯粒子通过与粒子的互相作用——物理学家称为“耦合”来赋于其他粒子以质量，耦合硬度不同，粒子也就有了不同的质量。例如目前为止，所有检测都与标准模型一致，这带给化学学家更多的不是开导，而是疑虑。粒子为何有它们各自这些质量？
标准模型里粒子的质量的值是化学学家悉心赋于的，而不是从理论中推论下来的。粒子化学是一个很有“野心”的领域，要阐明世界最基本的运行法则，得到万事万物的理论。结果，重要的参数是悉心选购的，岂不是很挖苦？如同你要发展一个万有引力理论，、天体、人各自满足不同的吸引力规则。这不是万有引力理论，这是独有引力理论。
以电子、陶子（tauon）、缪子（muon）为例，谈谈化学学家所疑虑的问题。
标准模型里，这三种粒子惟一的不同是质量不同，即它们与希格斯粒子的耦合硬度不同。有些化学学家推测，粒子还有更深层次的结构，对希格斯粒子与其他粒子的耦合做细致地检测，有望出现标准模型难以解释的结果，从而沿着此线索，发展出更基本的理论。
实验上检测耦合的方式是观察希格斯粒子的形成和衰变。
希格斯粒子被发觉的时侯就确定出希格斯粒子与其他玻骰子的耦合。2016年，实验上确定出了希格斯子与陶子的耦合。这种实验都没有给出预期之外的结果。
不过，希望还没有完全破灭。
2018年，化学学家在实验上做了顶夸克、反顶夸克与希格斯粒子的耦合。顶夸克是最重的基本粒子，与希格斯粒子耦合最强。偏离标准模型的明显现象更可能出现于此。遗憾的是，2018年的实验结果仍然没有哪些惊喜。
令人失望。
没有意外的结果，一个可能的诱因是，实验结果偏差还比较大，假如实验精度增强，恐怕都会发觉不符合预期的现象。
然而，实验结果也使化学学家越来越认为一个大胆的看法很靠谱：希格斯粒子可能不止一种，或可能有内部结构。
三、孤单粒子
粒子化学学家对于解决标准模型的缺点有一个非常看好的方案：超对称。在超对称理论中，每位粒子都有一个伙伴粒子。LHC开机之前，化学学家希望LHC能发觉这样的伙伴粒子。但是，到目前为止，一无所获。超对称理论虽然还没有被完全排除，但留给它的希望不太多了。
赶超标准模型的理论不止超对称，目前还看不出那个理论最有希望胜出。化学学家希望检测希格斯粒子的性质，能阐明出标准模型之外的东西，为新数学指引方向。
化学学家正在探究的希格斯粒子的一个性质是，它是不是独一无二的。
希格斯粒子变得孤独
其他基本粒子都有载流子，而希格斯粒子载流子为零。载流子为零的玻骰子称为“标量粒子”。
其他粒子都有近亲，希格斯玻骰子是不是也应当有标量近亲？超对称理论物理学家丁肇中因发现哪一种粒子，以及其他一些理论就预言，存在多种希格斯粒子。有粒子化学学家推测，希格斯粒子可能只是我们发觉的第一个标量粒子，其实存在一个标量粒子家族，等待我们去发觉。
也有可能，希格斯粒子不是基本粒子，是由更基本的粒子组成的。有些粒子组合上去，可以组成零载流子的粒子，例如两个质子和两个中子组成的α粒子，由夸克粒子组成的π介子。
粒子化学里近来还有些令人困扰的实验结果可能与希格斯粒子的性质有关。
2021年，费米实验室报导的缪子磁性质的实验结果与标准模型预言不符。2022年4月，费米实验室报导称，W玻骰子的质量小于标准模型的预言。
这种困局的答案，恐怕就隐藏在希格斯粒子中。它是标准模型中最晚发觉的粒子，是研究最少的粒子，也是我们破解物质世界终极奥秘的希望所在。
四、自耦合
希格斯粒子与自身有没有互相作用，即会不会自耦合？
希格斯自耦合还未进行过实验检测。理论化学学家期盼着相关检测，相信一定会带来新的数学。
希格斯自耦合与希格斯势密切相关。希格斯势是一个函数，描述希格斯场的能量。这个函数的图形像个卷檐帽，俗称法国帽。
希格斯势的图形像法国帽。在宇宙初期，宇宙处于帽顶处，然后宇宙会渐渐演变到礼帽的沟里，在这个过程中，各基本粒子获得了质量。
在宇宙初期，刚形成希格斯场的时侯，希格斯势决定了基本粒子怎样获得质量。对粒子怎样从没有质量显得有质量的研究，这有助于理解宇宙中物质为什么少于反物质。
宇宙诞生初期，希格斯场饰演了哪些样的角色，答案在希格斯势里。
依据标准模型，由希格斯粒子和顶夸克的质量，可以确定出希格斯势的一级近似结果。从目前的结果看，几十亿年前，宇宙步入了希格斯势一个局域极小值点，而非全局极小值点，意思是宇宙是亚稳态的；未来宇宙会步入另一更小的极小值点，即发生相变，基本粒子质量骤然而变，我们现在所熟悉的宇宙会面目全非。
不过，如今还何必消极，有些赶超标准模型的理论预言了一些粒子及其互相作用物理学家丁肇中因发现哪一种粒子，让希格斯场呈现另外的面貌，拯救宇宙的命运。
标准模型得到的宇宙的稳定性，中间黑点为当前的检测结果，三个椭圆的面积分别对应1个、2个、3个标准差。
要了解宇宙的过去和未来，关键线索在于希格斯势。希格斯粒子自耦合实验会让我们更确切了解希格斯势。
要进行希格斯粒子自耦合实验，须要形成成对的希格斯粒子。在LHC中，形成1000个单个的希格斯粒子，才可能形成一组希格斯粒子对。自耦合实验难度极大。
LHC正在升级为高色温小型强子对撞机（HighLarge，HL-LHC），但也只是将数据量提高了10倍，对于自耦合实验来说，偏差仍然很大，但有可能形成个别相关的现象。
高能化学学界在力推多个更强悍的对撞机项目，如中国的环型正负电子对撞机（，CEPC）、日本的国际直线对撞机（，ILC）、欧洲的未来环型对撞机（，FCC）和紧凑型直线对撞机（，CLIC）等，这种对撞机只要有一座能建成，将能细致检测希格斯粒子与其他粒子的性质，有可能发觉超出标准模型的新数学的线索。
见证其中之一建成，最快也要等六年以上。
这就是粒子数学，除了须要聪明才智、金钱投入，还须要有耐心。
参考资料