希格斯物理 （4）

4. 结束语：希格斯粒子发现后的粒子物理新时代 希格斯粒子的发现从某种意义上讲“完成”了标准模型。但是，这绝不代表对基本粒子探索的终结。恰恰相反，标准模型中有很多重大的问题尚未得到解答。而希格斯粒子的发现正赋予了这些问题新的含义。从这个意义上讲，希格斯粒子的发现开创了理论物理的新时代。这里，作为这篇短文的结束语，我们简单地介绍这方面的一些主要的问题和发展方向。 对W／Z粒子和希格斯粒子的实验测量确定了标量势［方程 1］中的所有的参数， μ^2 和??。但是标准模型本身对这些参数的大小（比如希格斯粒子的质量）却没有解释。 因此从这个基本意义上讲，标准模型只能是一个不完整的理论，必然需要一个可以对这些参数作出解释的更基本的理论来代替。在物理学中，每一个现象和理论，都对应于一个特定的能量标度（能标）。弱相互作用对应于M_weak ≈ 100 GeV 的能标，因为这是W／Z以及希格斯粒子的质量的范围。 而对于那个更基本（可以用来解释希格斯质量）的理论, 我们所要考虑的首要问题就是它所对应的能标在哪里。 理论物理学中其实并不缺乏对可能的更高能标的思考。其中最经常被提及的是量子引力的能标（M_Pl ≈ 10^19 GeV）， 以及大统一理论的能标（MGUT ≈ 10^16 GeV）。但是，即便抛开具体细节，仅从直观上就可以看到这里面的一个重大的问题是如何解释 MPl 或者MGUT 和 Mweak 的巨大差别。这就是所谓的Hierarchy problem，或者叫Naturalness problem。 反过来讲，如果那个更基本的理论没有Naturalness problem，它所对应的能标应该离Mweak 不远。这正是我们为什么期待在TeV附近的能量区有超出标准模型的新物理的主要原因。有很多具体的新物理模型具有这样的性质， 比较重要的有超对称 （Supersymmetry， SUSY），复合粒子模型（compositeness）， 以及额外维度（extra dimensions）， 等等。 在欧洲核子中心的LHC上，寻找和这些模型相关的新物理是主要的目标之一，受到了几乎和寻找希格斯粒子相同的重视。在已经结束的第一轮运行中（质子－质子的质心系能量为 7 TeV和8 TeV），这类新物理并没有出现。在将于2015年开始的新的一轮运行中，LHC将在更高的能区继续寻找新物理 （质心系能量13－14 TeV）。 目前，高能物理学界正在紧张而激动地等待这些新的数据。任何新的发现都必然带来高能物理新的突破。值得指出的是，即便是LHC的第二轮运行也不能完全地探索以解决Naturalness为目标的新物理机制。更高能量的对撞机， 比如一个100TeV质心系能量的更大的质子对撞机（VLHC）， 是实现这一目标最直接的道路。 如前所述，标准模型对于希格斯粒子和标准模型其他粒子的耦合有着确切的预言。同时， 与Naturalness 相关的新物理都会对这些耦合参数带来细微的变动。探测到这样的变化也就是看到了新物理的迹象。探测这样微小的效应需要很精确的测量。和追求更高的能量以寻找更重的新粒子不同，这种测量需要大量极其精密的数据。这正是所谓的希格斯工厂所要实现的目标。希格斯工厂 往往基于正负电子对撞机， 正在讨论中的国际直线对撞机（ILC）和大型环形正负电子对撞机（比如TLEP）都属于这个类型。 除了自身的Natualness problem，希格斯粒子还有可能和其他一系列的新物理相关。其中一个重要的例子是暗物质。暗物质是我们迄今为止确知存在的唯一的不被包括在标准模型之内的粒子。探索暗物质的性质是当今基本粒子物理的最重要的课题之一。在众多的暗物质模型中，最具吸引力的是所谓的 Weakly Interacting Massive Particle（WIMP）模型。在这个模型中，暗物质粒子的质量在100 GeV到TeV附近。由于标准模型中的W／Z粒子以及顶夸克（top quark）都通过希格斯机制获得了100 GeV左右的质量，我们很自然地想到暗物质粒子也可以通过相同的机制获得所需要的质量，至少同希格斯粒子有所关联。这是一个很有趣的想法，目前吸引了很多的理论和实验工作。 我们生活的宇宙中物质要远多于反物质。早在50年前，解释这一非对称性（Baryogenesis）是基本粒子物理和宇宙学的一个重要方向。几乎所有的Baryogenesis的模型都依赖于宇宙早期的相变过程。而弱相互作用的自发对称破缺的相变是我们可以确信必然在早期宇宙发生过的物理过程。所以很早就有人将这个相变和Baryogenesis联系起来。具有挑战性的是，要成功地实现Baryogenesis，只有标准模型的希格斯粒子是不够的。我们必须引进新的和希格斯粒子相关的粒子。 总而言之，希格斯粒子的发现是高能物理学的一个里程碑，它表明了我们对10^(－16) 厘米的尺度物理有了深刻的理解。同时，它也对高能物理学的下一步发展和探索指出了极其有意义的方向。我们期待着高能物理的下一个重大发现！