上帝粒子的新把戏

2012年，随着被称为“上帝粒子”的希格斯子在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上被发现，粒子物理学标准模型的最后一块“拼图”终于找到了。粒子物理学家为此奋斗了几十年的标准模型可以说完美收官。

但依然留下几个问题，其中一个是：上帝粒子到底有几种?

什么?上帝粒子难道还会有好几种吗?我没说错。当时一部分物理学家提出，希格斯子可能有好几种类型，发现的只是其中的一种。

他们为什么要这么说，这得从希格斯子的作用谈起。

基本粒子获得质量的机制

我们知道，自然界中存在四种基本作用力：引力、电磁力、强核力和弱核力。但很早就有人坚信，大自然是简单的，四种基本作用力太多了，它们可能是同一种力的不同表现。为此，他们希望把它们统一起来，这就是所谓的“大统一理论”。爱因斯坦晚年就致力于这项工作。

人们原先以为，作为第一步，引力和电磁力是最容易统一的，因为静电力和引力有着相似的形式，都与距离的平方成反比。但随着研究的深入，物理学家发现，引力恰恰是最孤僻、最难“入伙”的。所以，引力就暂时被撇到了一边。

到了1970年代，物理学家意识到，弱核力和电磁力之间存在着非常密切的联系，两种力可以用“弱电统一理论”来描述。这种“统一”意味着电、磁、光和某些类型的放射性(涉及弱核力)，都是一种被称为“弱电力”的基本作用力的表现。弱电统一理论构成了粒子物理学标准模型的基础。

弱电统一理论正确描述了弱电力及其相关的作用力传递粒子，即光子、W和Z玻色子，但有一个重大缺陷：理论中，所有这些粒子出现时都没有静止质量。虽然光子没有静止质量符合事实，但我们知道，W和Z玻色子是具有质量的，几乎是质子的100倍。

幸运的是，理论家彼得·希格斯等人提出一个建议，解决了这个难题，我们现在称之为“希格斯机制”。他们说，当W和Z与一个充斥宇宙的、看不见的场(现在称为 “希格斯场”)相互作用时，它们就获得了质量。

为什么不同粒子质量不一样?

具体来说，希格斯机制是这样：在宇宙大爆炸之后，希格斯场最初是零，那时所有粒子的质量为零;随着宇宙的冷却，希格斯场自发地增长，粒子与希格斯场相互作用，获得了质量。

你可以把希格斯场想象成一片泥涂，粒子在这个泥涂中跋涉，沾上了泥巴变重了。粒子与希格斯场相互作用越强，沾的泥巴越多，它就越重。反过来也可以说，粒子质量越大，说明它与希格斯场的作用越强。像光子这样不与之作用的粒子，则完全没有质量。

所有量子场都有其传递作用力的粒子，传递希格斯场的是希格斯子。

这样，希格斯机制就解释了“粒子为什么会有质量”这个问题。但从另一方面说，它似乎又是“甩手掌柜”，把“不同的粒子为什么有不同的质量”这个问题，甩给了“不同的粒子与希格斯场作用强弱不同”这个更不好理解的解释。所以，我们完全可以追问一句：为什么不同的粒子与希格斯场作用强弱不同呢?

这是希格斯等人的理论解答不了的。于是有人提出，也许希格斯场不止一种，而是有好几种类型;不同的粒子与不同的希格斯场作用，所以获得了不同的质量。最理想的当然是每一种基本粒子对应一种希格斯场，但这又与目前的实验不符。考虑到基本粒子家族中，成员的质量相差悬殊，大致可分为重子、介子和轻子三类，那么希格斯场可能至少也有三种类型，每种希格斯场都有自己的希格斯子。

发现罕见的衰变

很遗憾，这个猜想可能是错的。上帝粒子很可能只有一种。

为了便于说明，让我们回头去解答 “如何判断一个粒子与希格斯场作用的强弱”这个问题。很简单，在实验上就是看希格斯子衰变成这个粒子的难易程度，难度越大，作用越弱。因为在量子物理学上，往往把一个粒子的衰变设想成该粒子和它可能衰变成的粒子的虚粒子相互作用的结果。

已发现的希格斯子，其寿命仅有1.56×10^²²秒。它一旦出现，几乎立即就衰变成其他粒子。通常情况下，希格斯子会衰变为基本粒子家族那些质量较大的粒子，如一对底夸克(质量是电子的8200倍)。

如果希格斯子只有一种，那么已知的这个希格斯子，应该能衰变成所有基本粒子，包括那些更轻的粒子，如μ子(质量是电子的207倍)，甚至电子和中微子。只是粒子越轻，衰变难度越大，我们越不容易观察到而已。

不过，2020年，物理学家在大型强子对撞机上终于首次观察到了希格斯子衰变成两个μ介子的罕见现象。这就证实了，μ子可以从同一个希格斯场获得其质量，不需要额外假设有个特殊的希格斯场与其对应。这意味着只存在一种类型的希格斯场的可能性更大。

发现希格斯子衰变成μ介子，对于物理学家来说，既是好消息，又是坏消息。首先，这是标准模型所预言的，当然再次证明了标准模型的“伟大、光荣、正确”;但是另一方面，这也让物理学家超越标准模型的期望落空了。因为标准模型虽然在以往的岁月里战无不胜，但它并非包罗万象。像引力，它就没有统一进来。此外，它对暗物质、暗能量也无法提供任何线索。物理学家恰恰渴望它在描述微观世界时能露出一丝破绽，好去开辟出一块新的天地。

上帝粒子留给我们的悬念

希格斯子的存在，证实了粒子获得质量的希格斯机制，但物理学家对无所不在的希格斯场了解甚少。

除了他们无法解释“为什么不同的粒子与希格斯场的作用强弱不同”，他们也不知道，大爆炸之后不久，为什么希格斯场突然从零值(换句话说，不存在)转变为不为零的状态。

这种转变，物理学上称为“相变”。常见的相变就是液态水在零度的时候结成冰。对于相变，物理学上最常见的解释是“对称性破缺”。什么是对称性破缺呢?下面不妨举个例子。

假设有一顶中间隆起的帽子，帽顶上置一个小球。在小球下滚之前，帽子一圈的任意位置都是平等的，系统具有旋转对称性。但小球在帽顶是不稳定的，受到扰动就会滚到帽檐里。当小球掉下去之后，最终只会稳定在某一个确定的位置，此时对于这个系统就不具有旋转对称性了。此时，就发生了对称性破缺。

物理学家认为，在希格斯场为零的时候，真空处于某种对称性，但能量高，不稳定，受到扰动，发生对称性破缺，于是发生相变，转变到能量较低的状态。

与这样的解释相关的还有另外两个问题。

一个问题是，希格斯场的对称性破缺是否在创造宇宙的物质-反物质不对称性方面发挥了作用?

物质与反物质的不对称是一个老话题。在大爆炸中诞生的物质与反物质应该是一样多的，但为什么我们的宇宙中物质占统治地位，反物质很罕见?这个问题会不会跟希格斯场的对称性破缺有关呢?

另一个问题是，当前的希格斯场是否稳定?

以山顶上的石头做比喻。希格斯场对称性破缺，相当于山顶上那个石头滚了下来。但只滚到半坡上，半途卡在了草丛里;而半山坡的草丛里又并非完全稳定，只要再有大风或雨水，石头又会继续滚下去。用物理学家的话来说就是，半山坡处能量并非最低，属于亚稳定状态：山底处能量最低，才是稳定状态。

前面提到，在希格斯场为零的时候，真空处于能量高的状态。它不稳定，受到扰动，发生相变，转变到能量低的状态。但后一种状态是稳定状态，还是亚稳定状态，我们依然不得而知。如果是亚稳定状态，受到扰动，它还会发生相变，直到转变为能量最低的稳定状态为止。这种相变对于宇宙来说，不啻是一场翻天覆地的灾难。

上述几个问题都超出了标准模型所能回答的范围，所以深入地研究希格斯子，是寻找新物理学的突破口。