希格斯玻色子或許不是最小的粒子
升級后的LHC將對希格斯粒子的屬性進(jìn)行深入細(xì)致地探測
1964年,英國科學(xué)家彼得·希格斯提出了希格斯場的存在,并進(jìn)而預(yù)言了希格斯玻色子的存在,假設(shè)出的希格斯玻色子是物質(zhì)的質(zhì)量之源,是電子和夸克等形成質(zhì)量的基礎(chǔ)。有些科學(xué)家認(rèn)為,盡管希格斯玻色子很小,但其或許并非最小的粒子,宇宙中可能還存在著其他更小的粒子,是這些粒子組成了玻色子。最近也有研究表明,這些被稱為“技夸克(techni-quarks)”的粒子很有可能潛伏在宇宙中。
丹麥南丹麥大學(xué)的粒子物理學(xué)家托馬斯·瑞特弗4月2日對美國趣味科學(xué)網(wǎng)站表示,要想找到這些組成希格斯玻色子的粒子,我們需要對目前世界上最大的粒子加速器——大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)進(jìn)行升級或者研制下一代粒子對撞機(jī)才行?!敖?jīng)過仔細(xì)梳理,我們找出了幾個(gè)理論,可用來解釋希格斯粒子和希格斯機(jī)制?!?/p>
2012年,科學(xué)家們在LHC內(nèi)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子的“蹤跡”,這一重大發(fā)現(xiàn)也促使研究希格斯理論的希格斯和比利時(shí)科學(xué)家弗蘭西斯·恩格勒摘得2013年諾貝爾物理學(xué)獎的桂冠。
天然存在的問題即使希格斯這樣的基本粒子也有一個(gè)未解之謎。
科學(xué)家們借用這一粒子來解釋為什么組成物質(zhì)的基本粒子(比如夸克和電子等)擁有質(zhì)量。然而,物理學(xué)研究表明,當(dāng)在量子水平上觀察時(shí),真空并非空無一物,而是充滿了起伏不定的“虛粒子”,虛粒子對不斷產(chǎn)生并快速湮滅。
瑞特弗解釋道,當(dāng)希格斯粒子通過真空時(shí),它們應(yīng)該會同所有的虛粒子相互作用,并在此過程中,讓其質(zhì)量增加到很大值,大約為其在LHC內(nèi)測量質(zhì)量的1017,因此,希格斯粒子此時(shí)的質(zhì)量應(yīng)該能與普朗克質(zhì)量(約等于2.18×10-8千克)相當(dāng)。瑞特弗說:“問題在于,為什么希格斯粒子的測量質(zhì)量比普朗克質(zhì)量少這么多呢?這真是個(gè)問題。”
因?yàn)檫@種質(zhì)量增加沒有發(fā)生,所以,統(tǒng)轄粒子物理學(xué)的支配理論——標(biāo)準(zhǔn)模型需要進(jìn)行更高程度的精調(diào),才能糾正希格斯粒子的測量質(zhì)量和更大質(zhì)量之間的差異。
瑞特弗表示,這種精調(diào)就是我們所說的固有的問題,這也是物理學(xué)家們心頭的一根刺,“理論本身并不像我們所希望的那么完美優(yōu)雅,從理論上來說,要想在最基礎(chǔ)的尺度上描述所有物質(zhì),我們需要對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行很多精調(diào)。”
為了不進(jìn)行這種精調(diào),而仍然能回答希格斯質(zhì)量的問題,物理學(xué)家們提出對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行擴(kuò)展和延伸,其中最著名的就是超對稱理論。這一理論認(rèn)為,標(biāo)準(zhǔn)模型中的每個(gè)粒子都存在著一個(gè)質(zhì)量更大的超級對稱粒子“超粒子(Sparticle)”。超粒子應(yīng)該能抵消真空中虛粒子的影響,減少希格斯粒子的質(zhì)量,從而使標(biāo)準(zhǔn)模型不再需要精調(diào)。但迄今為止,科學(xué)家們沒有發(fā)現(xiàn)任何理論上的超對稱粒子的“蛛絲馬跡”。
“技夸克”或成解決問題的關(guān)鍵瑞特弗表示,有不少理論指出,希格斯粒子或許也有組成成分——它由其他更小的名為“技夸克”的粒子組成。瑞特弗說:“如果希格斯粒子由自然界中比其更小的‘磚塊’通過一種新的力——藝彩力(technicolor)組成,就像夸克結(jié)合在一起形成質(zhì)子和中子一樣,那么,問題就迎刃而解了。”
那么,“技夸克”如何解決這個(gè)質(zhì)量問題呢?瑞特弗說,技夸克粒子的自旋為1/2,因此,兩個(gè)技夸克集合在一起能形成像希格斯粒子這樣自旋為零的復(fù)合粒子,“研究結(jié)果表明,只有將技夸克考慮在內(nèi),才不會出現(xiàn)我們上述的質(zhì)量問題。”
其實(shí),自上世紀(jì)70年代末,就有人提出了這種涵蓋技夸克的想法,最近,科學(xué)家們對最初的模型進(jìn)行了非常重要的梳理和提煉工作。
在最新研究中,瑞特弗和同事再一次認(rèn)為,希格斯粒子必須擁有內(nèi)部結(jié)構(gòu),而且,他們也找出了一些理論,“這些理論都很堅(jiān)定地認(rèn)為,希格斯粒子確實(shí)由某些基本成分組成,這些理論能很好地解決標(biāo)準(zhǔn)模型的精調(diào)問題,并讓亞原子世界進(jìn)入和諧狀態(tài)?!?/p>理解暗物質(zhì)
理論物理學(xué)家基莫·圖奧米寧并沒有參與瑞特弗的研究,他接受美國趣味科學(xué)網(wǎng)站采訪時(shí)表示,盡管希格斯粒子的結(jié)構(gòu)仍然成謎,但“技夸克”是一種可能性,未來,我們應(yīng)該對此進(jìn)行更深入徹底的研究。
當(dāng)萬眾矚目的LHC于2015年再次啟動時(shí),它或許能以14TeV(萬億電子伏)的最大對撞能量進(jìn)行對撞,從而對希格斯粒子的屬性進(jìn)行深入細(xì)致地探測。
圖奧米寧說:“在更高對撞能量下收集到的數(shù)據(jù)或許能使我們對藝彩模型進(jìn)行檢測,如果我們發(fā)現(xiàn)希格斯粒子確實(shí)由更基本的粒子組成,這或許表明存在著一種新的基本力,而且,這些理論也將加深和推進(jìn)我們對于暗物質(zhì)的理解?!?/p>
編輯:劉芳宇