2012年，隨著被稱為“上帝粒子”的希格斯子在歐洲核子研究中心的大型強子對撞機上被發(fā)現(xiàn)，粒子物理學標準模型的最后一塊“拼圖”終于找到了。粒子物理學家為此奮斗了幾十年的標準模型可以說完美收官。
但依然留下幾個問題，其中一個是：上帝粒子到底有幾種?
什么?上帝粒子難道還會有好幾種嗎?我沒說錯。當時一部分物理學家提出，希格斯子可能有好幾種類型，發(fā)現(xiàn)的只是其中的一種。
他們?yōu)槭裁匆@么說，這得從希格斯子的作用談起。
基本粒子獲得質(zhì)量的機制
我們知道，自然界中存在四種基本作用力：引力、電磁力、強核力和弱核力。但很早就有人堅信，大自然是簡單的，四種基本作用力太多了，它們可能是同一種力的不同表現(xiàn)。為此，他們希望把它們統(tǒng)一起來，這就是所謂的“大統(tǒng)一理論”。愛因斯坦晚年就致力于這項工作。
人們原先以為，作為第一步，引力和電磁力是最容易統(tǒng)一的，因為靜電力和引力有著相似的形式，都與距離的平方成反比。但隨著研究的深入，物理學家發(fā)現(xiàn)，引力恰恰是最孤僻、最難“入伙”的。所以，引力就暫時被撇到了一邊。
到了1970年代，物理學家意識到，弱核力和電磁力之間存在著非常密切的聯(lián)系，兩種力可以用“弱電統(tǒng)一理論”來描述。這種“統(tǒng)一”意味著電、磁、光和某些類型的放射性(涉及弱核力)，都是一種被稱為“弱電力”的基本作用力的表現(xiàn)。弱電統(tǒng)一理論構(gòu)成了粒子物理學標準模型的基礎(chǔ)。
弱電統(tǒng)一理論正確描述了弱電力及其相關(guān)的作用力傳遞粒子，即光子、W和Z玻色子，但有一個重大缺陷：理論中，所有這些粒子出現(xiàn)時都沒有靜止質(zhì)量。雖然光子沒有靜止質(zhì)量符合事實，但我們知道，W和Z玻色子是具有質(zhì)量的，幾乎是質(zhì)子的100倍。
幸運的是，理論家彼得·希格斯等人提出一個建議，解決了這個難題，我們現(xiàn)在稱之為“希格斯機制”。他們說，當W和Z與一個充斥宇宙的、看不見的場(現(xiàn)在稱為 “希格斯場”)相互作用時，它們就獲得了質(zhì)量。
為什么不同粒子質(zhì)量不一樣?
具體來說，希格斯機制是這樣：在宇宙大爆炸之后，希格斯場最初是零，那時所有粒子的質(zhì)量為零;隨著宇宙的冷卻，希格斯場自發(fā)地增長，粒子與希格斯場相互作用，獲得了質(zhì)量。
你可以把希格斯場想象成一片泥涂，粒子在這個泥涂中跋涉，沾上了泥巴變重了。粒子與希格斯場相互作用越強，沾的泥巴越多，它就越重。反過來也可以說，粒子質(zhì)量越大，說明它與希格斯場的作用越強。像光子這樣不與之作用的粒子，則完全沒有質(zhì)量。
所有量子場都有其傳遞作用力的粒子，傳遞希格斯場的是希格斯子。
這樣，希格斯機制就解釋了“粒子為什么會有質(zhì)量”這個問題。但從另一方面說，它似乎又是“甩手掌柜”，把“不同的粒子為什么有不同的質(zhì)量”這個問題，甩給了“不同的粒子與希格斯場作用強弱不同”這個更不好理解的解釋。所以，我們完全可以追問一句：為什么不同的粒子與希格斯場作用強弱不同呢?
這是希格斯等人的理論解答不了的。于是有人提出，也許希格斯場不止一種，而是有好幾種類型;不同的粒子與不同的希格斯場作用，所以獲得了不同的質(zhì)量。最理想的當然是每一種基本粒子對應一種希格斯場，但這又與目前的實驗不符?？紤]到基本粒子家族中，成員的質(zhì)量相差懸殊，大致可分為重子、介子和輕子三類，那么希格斯場可能至少也有三種類型，每種希格斯場都有自己的希格斯子。
發(fā)現(xiàn)罕見的衰變
很遺憾，這個猜想可能是錯的。上帝粒子很可能只有一種。
為了便于說明，讓我們回頭去解答 “如何判斷一個粒子與希格斯場作用的強弱”這個問題。很簡單，在實驗上就是看希格斯子衰變成這個粒子的難易程度，難度越大，作用越弱。因為在量子物理學上，往往把一個粒子的衰變設想成該粒子和它可能衰變成的粒子的虛粒子相互作用的結(jié)果。
已發(fā)現(xiàn)的希格斯子，其壽命僅有1.56×10^22秒。它一旦出現(xiàn)，幾乎立即就衰變成其他粒子。通常情況下，希格斯子會衰變?yōu)榛玖Ｗ蛹易迥切┵|(zhì)量較大的粒子，如一對底夸克(質(zhì)量是電子的8200倍)。
如果希格斯子只有一種，那么已知的這個希格斯子，應該能衰變成所有基本粒子，包括那些更輕的粒子，如μ子(質(zhì)量是電子的207倍)，甚至電子和中微子。只是粒子越輕，衰變難度越大，我們越不容易觀察到而已。
不過，2020年，物理學家在大型強子對撞機上終于首次觀察到了希格斯子衰變成兩個μ介子的罕見現(xiàn)象。這就證實了，μ子可以從同一個希格斯場獲得其質(zhì)量，不需要額外假設有個特殊的希格斯場與其對應。這意味著只存在一種類型的希格斯場的可能性更大。
發(fā)現(xiàn)希格斯子衰變成μ介子，對于物理學家來說，既是好消息，又是壞消息。首先，這是標準模型所預言的，當然再次證明了標準模型的“偉大、光榮、正確”;但是另一方面，這也讓物理學家超越標準模型的期望落空了。因為標準模型雖然在以往的歲月里戰(zhàn)無不勝，但它并非包羅萬象。像引力，它就沒有統(tǒng)一進來。此外，它對暗物質(zhì)、暗能量也無法提供任何線索。物理學家恰恰渴望它在描述微觀世界時能露出一絲破綻，好去開辟出一塊新的天地。
上帝粒子留給我們的懸念
希格斯子的存在，證實了粒子獲得質(zhì)量的希格斯機制，但物理學家對無所不在的希格斯場了解甚少。
除了他們無法解釋“為什么不同的粒子與希格斯場的作用強弱不同”，他們也不知道，大爆炸之后不久，為什么希格斯場突然從零值(換句話說，不存在)轉(zhuǎn)變?yōu)椴粸榱愕臓顟B(tài)。
這種轉(zhuǎn)變，物理學上稱為“相變”。常見的相變就是液態(tài)水在零度的時候結(jié)成冰。對于相變，物理學上最常見的解釋是“對稱性破缺”。什么是對稱性破缺呢?下面不妨舉個例子。
假設有一頂中間隆起的帽子，帽頂上置一個小球。在小球下滾之前，帽子一圈的任意位置都是平等的，系統(tǒng)具有旋轉(zhuǎn)對稱性。但小球在帽頂是不穩(wěn)定的，受到擾動就會滾到帽檐里。當小球掉下去之后，最終只會穩(wěn)定在某一個確定的位置，此時對于這個系統(tǒng)就不具有旋轉(zhuǎn)對稱性了。此時，就發(fā)生了對稱性破缺。
物理學家認為，在希格斯場為零的時候，真空處于某種對稱性，但能量高，不穩(wěn)定，受到擾動，發(fā)生對稱性破缺，于是發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變到能量較低的狀態(tài)。
與這樣的解釋相關(guān)的還有另外兩個問題。
一個問題是，希格斯場的對稱性破缺是否在創(chuàng)造宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱性方面發(fā)揮了作用?
物質(zhì)與反物質(zhì)的不對稱是一個老話題。在大爆炸中誕生的物質(zhì)與反物質(zhì)應該是一樣多的，但為什么我們的宇宙中物質(zhì)占統(tǒng)治地位，反物質(zhì)很罕見?這個問題會不會跟希格斯場的對稱性破缺有關(guān)呢?
另一個問題是，當前的希格斯場是否穩(wěn)定?
以山頂上的石頭做比喻。希格斯場對稱性破缺，相當于山頂上那個石頭滾了下來。但只滾到半坡上，半途卡在了草叢里;而半山坡的草叢里又并非完全穩(wěn)定，只要再有大風或雨水，石頭又會繼續(xù)滾下去。用物理學家的話來說就是，半山坡處能量并非最低，屬于亞穩(wěn)定狀態(tài)：山底處能量最低，才是穩(wěn)定狀態(tài)。
前面提到，在希格斯場為零的時候，真空處于能量高的狀態(tài)。它不穩(wěn)定，受到擾動，發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變到能量低的狀態(tài)。但后一種狀態(tài)是穩(wěn)定狀態(tài)，還是亞穩(wěn)定狀態(tài)，我們依然不得而知。如果是亞穩(wěn)定狀態(tài)，受到擾動，它還會發(fā)生相變，直到轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰孔畹偷姆€(wěn)定狀態(tài)為止。這種相變對于宇宙來說，不啻是一場翻天覆地的災難。
上述幾個問題都超出了標準模型所能回答的范圍，所以深入地研究希格斯子，是尋找新物理學的突破口。
