可能填满“空”空间的粒子 - 华尔街日报
Frank Wilczek
今年是发现希格斯粒子的十周年。现在我们可以以更宏观的视角看待它。
要理解其重要性，想象一个海洋星球，智能鱼类进化并开始理论化物体如何移动。他们进行实验并推导出方程式，但这是一团混乱，因为鱼类总是认为周围的环境是理所当然的，将他们的海洋视为“空间”。然而经过数十年的工作，一些鱼类意识到，通过假设“空间”是一种具有质量和自身运动的介质——海洋，你可以用简单而优雅的定律（即牛顿定律）解释一切。接下来，鱼类开始思考他们假设的海洋是由什么构成的。他们煮沸了一些海水，进行了一些复杂的光谱分析，最终确定了水分子。想象中的美丽引导他们找到了具体的真相。
在地球上发生了类似的故事。当20世纪初物理学家发现了控制许多核变换和粒子衰变的亚原子“弱力”时，他们首先得出了不完美的方程式来尝试描述它是如何起作用的。这些方程式假设了称为“W”的粒子，它们像光子一样刺激弱力。不幸的是，这些方程式的一致应用预测W粒子，像光子一样应该具有零质量，但它们并没有。
一个看似遥远的现象，超导性，提出了一种出路。正如物理学家弗里茨和海因茨·伦敦兄弟在1935年首次设想的那样，光子在超导材料内获得了非零质量。这种质量以一种恰当的方式修改了方程，使它们正确描述了超导体内电动力学的工作原理。1957年，约翰·巴丁、莱昂·库珀和J·罗伯特·施里弗表明，超导体内的电子凝聚成了一种由两个电子分子组成的凝聚海洋，阻碍了光子的自由运动，并使它们变得有些迟缓，实际上赋予了它们质量。
现在我们来谈谈彼得·希格斯的作用。1964年，他以及独立的罗伯特·布鲁特和弗朗索瓦·英格勒有想象力地提出，W粒子之所以具有质量，是因为我们所感知的“空间”并不比我们想象中的智能鱼的海洋更空旷。就W粒子而言，“空间”是一种流体介质：一个超级超级超导体。
这一大胆的假设使方程一致。但是，构成这种介质的是什么，无形而普遍存在，阻碍了W粒子的自由运动并赋予它们质量？任何已知的物质成分的组合都无法胜任这项工作。
为了解决这一挑战，物理学家们将质子撞击在一起，将能量集中到一个非常小的体积中，希望从这种流体中分离出一些小碎片。2012年7月4日，在日内瓦附近的大型强子对撞机上，两个实验合作团队，每个团队都有数百名研究人员，提出了一个新粒子的证据，这个粒子以希格斯的名字命名，是这种宇宙超级超级超导体的主要组成部分。
十年的密集实验和审查已经证实，希格斯粒子具有使我们所居住的超级超级导体具有正确属性的能力。然而，它仍然是一个神秘的异常值。虽然希格斯粒子的影响使其他粒子具有质量，但它自己的质量仍然完全神秘。而所有其他已知粒子都很好地适应于一个全面的“大统一”理论中，希格斯粒子仍然是一个被遗弃的孤儿。这些松散的端点表明故事应该还有更多内容，对希格斯粒子的更深入研究可能会打开通往新世界和其他无法进入的世界的门户。因此，希格斯粒子才刚刚十岁。
发表于2022年12月31日的印刷版上，标题为“可能填补‘空白’空间的粒子”。