为什么会有质量？世界上最大是对撞机告诉你答案

6月4日是物理学的好日子，公布的两项新结果发现，希格斯玻色子与迄今发现的最重粒子一起出现。结果可以帮助我们更好的理解物理学中最基本的问题之一：为什么会有质量的问题。这项发现是在意大利博洛尼亚举行的2018年大型强子对撞机物理会议上公布。这一发现是由瑞士欧洲核子研究中心实验室大型强子对撞机(LHC)的数据独立完成的，这些结果在两篇论文中公开。

寻找质量

寻找希格斯粒子和质量的起源有一段迷人的历史。1964年包括英国物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)和比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)在内的几组科学家预测，基本亚原子粒子的质量是通过与现在被称为希格斯场(Higgs field)的能量场相互作用而产生。能量场弥漫宇宙,与场相互作用更大的粒子质量更大，而与场相互作用更小的粒子，有些则根本不与场相互作用。这一预测的结果是，一种叫做希格斯玻色子的亚原子粒子应该存在。

欧洲核子研究中心共享的这种可视化图的希格斯粒子新数据集事件之一。图片：ATLAS Collaboration/CERN

经过近50年的探索，LHC的研究人员在2012年发现了希格斯玻色子,希格斯和恩格勒特共同获得了2013年诺贝尔物理学奖。已知最重的基本亚原子粒子是顶夸克，发现于1995年的费米实验室位于芝加哥西部。已知有6个夸克,两个是稳定的，在质子和中子的中心。另外四种是不稳定的，只在大型粒子加速器中产生。一个顶夸克的质量相当于一个钨原子。

难以捉摸的测量

在6月4日的公布中，科学家们描述了一类碰撞，其中一个顶级夸克物质/反物质对与希格斯玻色子同时产生。这些碰撞使科学家能够直接测量希格斯玻色子和夸克之间的相互作用强度。因为粒子与希格斯场的相互作用是粒子质量的来源，因为上夸克是质量最大的基本亚原子粒子，希格斯玻色子与上夸克的相互作用最强。因此这类相互作用是对质量起源进行详细研究的理想实验室。这种测量方法尤其具有挑战性。2012年希格斯玻色子的发现只涉及了几次碰撞。在同时产生希格斯玻色子和顶级夸克的碰撞中，只有1%的碰撞产生希格斯玻色子。

当一个包含了顶级夸克衰变的各种各样的方式时，这个分析需要数十个独立的分析，涉及数百名研究人员。然后将这些分析合并成一个单独的度量。这是一项非常困难的成就。在测量之前，不可能直接测量顶夸克和希格斯玻色子的相互作用强度。希格斯玻色子的质量为125gev(十亿电子伏特)，最上面的夸克的质量为172 GeV。上夸克/反夸克对的质量是344 GeV，大于希格斯玻色子的质量。因此，希格斯玻色子不可能衰变为顶级夸克/反夸克对。

取而代之的是，一个顶夸克/反夸克对被创造出来，其中一个粒子释放出希格斯玻色子。每个顶部夸克衰变为三个粒子，希格斯玻色子衰变为两个。因此，粒子衰变后，在探测器中发现了8种不同的衰变产物，必须正确分配。这是一组非常复杂的数据，奇怪的夸克和介子，大自然的最小粒子切割。这也是一种非常罕见的相互作用，科学家们仔细研究了质子对之间的千万亿次碰撞(10的15次方)，以识别出少数具有必要特征的碰撞。

剩余的奥秘

尽管希格斯玻色子的发现以及随后的测量结果让研究人员相信，希格斯和恩格勒等人在1964年首次写下的理论是正确的，但仍有一些重大的遗留谜团有待解开。其中包括：为什么希格斯玻色子具有它所具有的质量？为什么会有希格斯场呢？首先也是最重要的事实是，希格斯理论不是由更深层次的理论框架驱动的。它只是简单地加在上面。标准模型(亚原子相互作用的主要理论)以最简单的形式预测了所有的基本亚原子粒子都是无质量的。这与测量是直接矛盾的。希格斯理论被添加到标准模型中，有点像理论创可贴。

因为希格斯理论可以解释这些粒子的质量，希格斯理论现在被纳入标准模型。但这仍然是一种权宜之计，这是一种不令人满意的状态。也许通过研究希格斯玻色子与它们之间相互作用最强烈的粒子之间的相互作用，我们将揭示一些指向更深层次、更有解释力的基本理论的行为。此外，希格斯玻色子的质量的数值有点神秘。希格斯场为基本的亚原子粒子提供质量，包括希格斯玻色子本身。然而，事情要比这复杂得多。

由于量子力学效应，希格斯玻色子可以暂时转化为其他亚原子粒子，包括顶夸克。当希格斯玻色子处于这种变弱状态时，这些临时粒子可以与希格斯场相互作用，从而间接地改变希格斯玻色子的质量。当考虑到这些效应时，希格斯玻色子的预测和测量质量就会大不相同。这对现代物理学来说是一个紧迫的谜题，希望对希格斯玻色子的相互作用进行更好的测量将有助于解开这个谜题。产生顶级夸克和希格斯玻色子的少量碰撞，但将来有可能更精确地研究这一过程。大型强子对撞机运行良好，但到2018年年底将只能提供预期数据的3%。

到2018年底大型强子对撞机将关闭两年，用于升级和翻新。到2021年，对撞机将在2030年恢复运行。在此期间，科学家们预计到今年年底，收集到的数据将是过去的30倍。大型强子对撞机(LHC)及其相关的探测器是非凡的科技成果，它们所提供的数据可能比预期的还要多。有了这么多的数据，科学家很有可能发现一些尚未发现的新现象，但这需要我们重写教科书。这不是一个保证，但有一件事是肯定的:今天的声明为更好地理解质量的起源提供了一条清晰的道路。

博科园-科学科普｜文：Don Lincoln/Live Science