希格斯粒子之外的新物理

知識新知 02/01/2012


最近粒子物理學家關心的希格斯粒子是否找到,其實並不是最關鍵的,因為物理標準模型理論並不完整,無論是否找到,都需要新的物理。

作者為文時,物理學家正為可能觀察到的希格斯玻色子興奮不已。在分析了瑞士日內瓦附近,歐洲「歐洲粒子物理研究中心」大強子對撞機的數據之後,這個歐洲高能物理實驗室日前宣布,他們在一二五GeV(十億電子伏特)能區發現這個粒子的訊號,在物理學理論中,希格斯玻色子認為是賦予其他粒子質量的粒子。

這個可喜的訊號,是否代表科學家已尋獲希格斯玻色子,仍言之過早,若是為真,許多人同時會認為這是粒子物理學標準模型的明證。之前,其他數據提供的間接跡象顯示,希格斯的的質量很可能小於一百五十GeV,這點與「歐洲粒子物理中心」的發現可說不謀而合。不過,我是一個喜歡唱反調的人。我要說無論希格斯玻色子是不是存在,我們都已經知道,必然要有超越標準模型的物理學。現在讓我們思考一下它的可能性。

扭轉瓦解

可能的情況之一,是大強子對撞機的證據獲得證實,在低於一百三十的GeV低質量範圍中,確實存在一個標準模型的希格斯玻色子。實驗科學家表示,這是長久以來理論家始終建議他們去尋找的能區,這一點不錯。不過,其中有個問題。在標準模型中,科學家可計算出宇宙的最低能量狀態。若是希格斯質量很輕,這項計算推測出的一個最低能量狀態,和目前我們的宇宙截然不同。

這意味的是,我們的宇宙是處在一個不穩定的狀態,最終會翻轉至它的最低能量狀態,發生的時間可能是下周,也可能是數十億年之後。有人可能因這項結論而惴惴不安,但有物理學家說,這些恐懼來自把理論看得太認真,萬一真的發現希格斯,只要跨越發現的這道橋樑即可,不必做無謂的擔憂。話雖如此,這種結論還是令人不安。為讓模型變得安定,唯一的方法是在標準模型中添加新粒子,換句話說,這就會像超對稱理論所預言的情況。

避免爆發

如果大強子對撞機這次發現的證據未獲證實,原則上,科學家還有其他找到希格斯的機會。歐洲粒子物理中心尚未觀測六百GeV以上的區域,它是另一個可能找到希格斯質量的範圍。在這種情況中,我們需要新物理學的理由有二。

第一,物理學家已發現並測量出W和Z玻色子的質量以及其他的屬性,兩者均是負責傳遞基本弱核力的粒子。這些粒子的測量數據同時讓科學家推論出,希格斯的質量應該小於一百五十GeV。如果事實上希格斯重得多,即必須靠增加已知粒子之間的新相互作用,方能解決問題。第二,重的希格斯玻色子之間的相互作用,在高能量時似乎變成無窮大。因此,科學家必須避免這個爆發,而因為它並非在標準模型理論之中,科學家對它的理解少之又少。

是否可能有比較輕,藏身在一百三十GeV到六百GeV的希格斯玻色子?大強子對撞機已排除這種可能性,儘管如此,還是可能有希格斯玻色子潛藏其中,如果這些希格斯玻色子和其他粒子的相互作用,不像標準模型所預測的那樣。

可能的情況是,這個希格斯玻色子具有一些額外而且不可見,衰變成其他粒子的模式,例如透過暗物質的弱交互作用粒子對。另一種可能狀況是,它的衰變是正常的,但是 其他粒子碰撞產生希格斯玻色子的速率受到抑制。無論是何者,它表示標準模型不再是可以預測結果的一套理論,而希格斯理論的重點,正是為了讓標準模型是可預測的。解決這項問題只有一個方法,即是在組合中添加新粒子,例如自旋為一的重粒子,以完成原先預期應由希格斯完成的工作。

如果沒有希格斯玻色子,上述問題將變得更加嚴重。物理學家將必須提出解釋,在計算結果與現有實驗測量一致的情況下,標準模型的粒子之間的對稱,如何以及為什麼會破壞,而在標準模型中為什麼只有一些粒子有質量。打破理論公式本身原有的對稱性是不智的,如此一來,將不知如何計算出合理的結果。

另一個選擇是,科學家可透過設定特定的邊界條件,來打破標準模型等式解答的對稱性。正如一位物理學家所說,懸掛在兩堵牆之間的晾衣繩,不僅是繩子的性質,也附屬在兩堵牆上。對於玻色子情況的描述也是一樣,它們也決定於在宇宙邊緣的行為。現今科學家所描述的四度空間宇宙,並沒有這些邊緣,但是如果四度空間之外另有空間,例如這些空間是蜷縮起來的極小空間,以致於科學家未在實驗中找到它們,這些空間即能提供玻色子適當的邊界條件。毫無疑問,這就是標準模型以外的新物理學。

無論科學家是否已發現希格斯玻色子,我們都需要新的物理學。
(此為英國理論物理學家埃利斯(John Ellis)在二○一二年一月五日《自然》雜誌的專文)
【知識通訊評論月刊一一二期】2012.2.1

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