希格斯玻色子阻止了宇宙的崩潰?還暗示存在多元宇宙?

格斯玻色子是一種賦予其他基本粒子質量的神秘粒子,可能正是這種粒子的存在,才使我們的宇宙免於崩潰。一個瘋狂的新理論認為,希格斯玻色子的特性可能預示着我們生活在一個具有平行世界的多元宇宙中。

該理論認為,宇宙的不同區域有着不同的物理定律,表明只有希格斯玻色子很小的世界才能存在。如果這個新模型是正確的,那它將需要產生新的粒子,並用這些粒子來解釋為什麼強相互作用——已知宇宙中4種基本作用力中最強的力,能維持原子核穩定,阻止原子坍塌——似乎服從某種對稱性。在這個過程中,新粒子可能還有助於揭示暗物質的本質。在宇宙學中,暗物質是指不與電磁力產生作用的物質,科學家通過引力效應得知,宇宙中可能存在着大量的暗物質——約佔整個宇宙構成的26.8%。

兩種希格斯玻色子的故事

大型強子對撞機(LHC)是全世界迄今為止最昂貴、最複雜的實驗設施之一,其建成的主要任務之一就是尋找與觀察希格斯玻色子與其他基本粒子。2012年,大型強子對撞機取得了堪稱不朽的成就,這個位於法國和瑞士邊界地下的粒子加速器首次探測到了希格斯玻色子,一種物理學家們幾十年來都一直無法發現的粒子。希格斯玻色子是標準模型的基石,能給予其他基本粒子質量,並導致了弱核力和電磁力之間的區別。該粒子以物理學家彼得·希格斯的名字命名,他與弗朗索瓦·恩格勒因為“亞原子粒子質量的生成機制理論,促進了人類對這方面的理解,近來經歐洲核子研究組織屬下大型強子對撞機的超環面儀器及緊湊μ子線圈探測器所發現基本粒子而獲得證實”共同榮獲2013年諾貝爾物理學獎。

然而,隨之而來的也有一個壞消息。據測量,希格斯玻色子的質量約為125GeV,比物理學家原先預計的要小一個數量級。更確切地說,物理學家們用來描述亞原子粒子的框架,即所謂的標準模型,實際上並不能預測希格斯玻色子的質量。要使這個理論模型成立,希格斯玻色子的質量數值必須與通過實驗推導出來的數值相同,但經過粗略的計算,物理學家們推測希格斯玻色子應該具有更大的質量。於是,問題就出現了:為什麼探測到的希格斯玻色子質量如此之低?

在另一個原本不相關的問題中,強相互作用的表現與標準模型預測的不完全一樣。在物理學家用來描述強相互作用的數學模型中,存在着一定的對稱性。例如,電荷的對稱性(改變相互作用中所有的電荷,它們表現出了同樣的性質),時間的對稱性(反向進行反應,結果也是一樣的),以及宇稱的對稱性(將相互作用翻轉為其鏡像,仍然表現相同)。

在迄今為止進行的所有實驗中,強相互作用似乎服從了電荷反轉和宇稱反轉的對稱性。但強相互作用的數學運算並沒有顯示出同樣的對稱性。沒有任何已知的自然現象會加強這種對稱性,但大自然又似乎遵循着這種對稱性。這其中到底發生了什麼?

多元宇宙的問題

兩位理論物理學家,法國替代能源和原子能委員會(CEA)的拉斐爾·蒂托·達尼奧洛和歐洲核子研究中心(CERN)的達尼埃爾·泰雷西認為,這兩個問題可能存在關聯。在2022年1月發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上的一篇論文中,他們概述了對這兩個難題的解決方案。他們的結論是:宇宙就是這樣誕生的。

兩位研究者引用了一個稱為“多元宇宙”的理論,該理論源於宇宙暴脹的理論。在暴脹理論中,宇宙在大爆炸早期經歷了一段極度膨脹的時期,每十億分之一秒體積就翻倍。

物理學家們並不確定是什麼驅動了暴脹過程,也不知道該過程是如何開始的,但這一基本觀點衍生了一個結論,即我們的宇宙從未停止過暴脹。相反,所謂的“我們的宇宙”只是一個更大的宇宙的一小部分,這個宇宙不斷快速膨脹,不斷冒出新的宇宙,就像浴缸里不斷產生的泡泡一樣。

在這個“多元宇宙”的不同區域,會有不同的希格斯玻色子質量值。研究人員發現,具有較大希格斯粒子質量的宇宙在有機會成長之前,就會發生災難性的坍塌。在多元宇宙中,只有那些擁有較低希格斯玻色子質量的區域能夠存活下來,並擁有穩定的膨脹率,繼而導致星系、恆星、行星的出現和發展,並最終造就了人類和探索希格斯玻色子的高能粒子對撞機。

為了使一個具有不同希格斯粒子質量的多元宇宙成為可能,研究小組不得不引入另外兩種粒子。這些粒子將成為標準模型的新成員。這兩種新粒子的相互作用決定了希格斯玻色子在多元宇宙中不同區域的質量。此外,這兩種新粒子還具有其他的作用。

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  大型強子對撞機是世界上最大的粒子加速器,位於法國和瑞士邊界的地下,是一個長達27公里的環形建築。

測試時間到了

兩位研究者新提出的粒子改變了強相互作用,導致了自然界中存在的電荷宇稱對稱性。它們的行為很像軸子——另一種假想的粒子,用來解釋強相互作用的本質。

新粒子的作用也不局限於早期宇宙。它們可能還存在於今天的宇宙中。如果其中某種粒子的質量足夠小,它可能就不會被加速器實驗發現,而是繼續漂浮在太空中。換句話說,這些新粒子中的一種可能會導致暗物質的產生。

從這個角度來說,這是一個非常大膽的提議,可以解決粒子物理學中兩個最大的挑戰,並解釋暗物質的本質。但是,解決這些問題真的能這麼簡單嗎?儘管這個理論很優雅,但它仍然需要驗證。該模型預測了暗物質具有一定的質量範圍,這是未來尋找暗物質的實驗——如地下設施“超低溫暗物質搜尋計劃”(Super Cryogenic dark matter Search)——可能會確定的。此外,該理論還預測,中子內部的電荷應該存在一個微小的,但潛在可測量的不對稱性,這與標準模型的預測不同。

遺憾的是,我們還得再等一段時間。每一項測量都需要數年甚至數十年的時間,才能有效地排除或支持這一新的觀點。(任天)