希格斯玻色子发现十周年｜漫谈希格斯粒子(4)

渐渐地，实验物理学家探测和发现了标准模型中除了希格斯粒子外的所有基本粒子。几十年来，只有希格斯玻色子躲过了所有探测它的尝试——直到2012年7月4日，日内瓦欧洲核子研究中心正式宣布希格斯玻色子被发现，标准模型的最后一块拼图完整了。这是自然界中第一种自旋为零的基本粒子。
标准模型被认为是完整的，但还有很多问题都远未得到解答。
3、希格斯粒子的特性
作为一个基本粒子，希格斯粒子也有其独特的量子参数。作为自然界基本粒子中唯一的标量玻色子，按照标准模型预言，其自旋为0、宇称为正。标准模型的希格斯机制不仅赋予了W、Z规范玻色子的质量，也决定了其与标准模型中其他基本粒子的相互作用。希格斯粒子作为一个玻色子是相当活跃的，可以与费米子以及其他规范玻色子产生相互作用。具体来说，希格斯粒子与费米子相互作用的耦合强度与费米子的质量成正比，因而在标准模型里希格斯粒子与质量最大的顶夸克的相互作用最强，与电子的相互作用耦合强度最弱。而在标准模型里中微子没有质量，因而希格斯粒子不与中微子产生相互作用。希格斯粒子与费米子的相互作用也被称为汤川耦合，也正是从这一相互作用中，费米子获得了质量。希格斯粒子与有质量的W、Z玻色子之间存在规范相互作用，而与无质量的光子和胶子没有相互作用。
此外，希格斯粒子与自身也会产生相互作用，包括三希格斯粒子和四希格斯粒子耦合，被称为希格斯粒子的自相互作用。
值得一提的是，希格斯粒子几乎所有的物理特性均由理论预言，唯独其质量是一个自由参数，需要由实验来测量。而正因为希格斯粒子质量的不确定性，实验学家们花费了巨大的时间和精力来寻找这一粒子，因为他们需要像大海捞针一样在未知的质量区间去寻找可能的希格斯粒子信号。希格斯粒子的质量虽然是一个自由参数，但它却与希格斯粒子的自相互作用耦合常数存在关联性，二者只要能确定其一，另一个参数也就确定了。与希格斯粒子质量相关的另一个重要量子参数是其质量宽度或衰变宽度。按照理论预言，一旦质量确定了，其质量宽度也随之确定了，而质量宽度决定了粒子的寿命。2012年发现的希格斯粒子，其质量大约是125 GeV，相当于质子质量的130倍，是标准模型的基本粒子里质量仅次于顶夸克的第二重的粒子。
希格斯粒子的重要性不仅仅在于它背后的希格斯机制是基本粒子的质量起源，而且在于它与超出标准模型的新物理以及宇宙学等存在深刻的联系。一个典型的例子是矢量玻色子之间的相互作用。按照标准模型预言，矢量玻色子之间可以发生散射过程，其散射振幅包含了希格斯粒子与矢量玻色子之间的耦合。计算表明，如果没有希格斯粒子参与，这个散射振幅与入射粒子对的质心能量平方成正比。这意味着在没有希格斯粒子的情况下，这个散射振幅在能量很高时会发散，也就意味着会有新的物理现象出现。虽然希格斯粒子的出现可以避免这一发散的发生，但这只是众多可能性的一种，并没有理由认为没有其他的超出标准模型的新物理会参与这一矢量玻色子的散射过程。前面提到，希格斯粒子是弱相互作用自发对称破缺的重要参与者，这一相变过程发生在宇宙演化的极早期。而希格斯粒子的自相互作用决定了希格斯场的势能，这一势能函数也决定了电弱对称性破缺的相变过程，意味着希格斯粒子与宇宙演化有着深刻的联系。