希格斯玻色子——物質質量起源的探索_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2022-12-25 12:35
2012年7月4日，歐洲核子中心大型強子對撞機上的ATLAS和CMS實驗組聯合宣佈發現了一個標量粒子，其性質與標準模型理論預言的希格斯粒子初步吻合，隨後被大量實驗數據進一步證實。作為唯一的基本標量(自旋為零)粒子，希格斯粒子在標準模型中佔據極其特殊的地位，因此，希格斯粒子相關性質的理論研究是理論粒子物理研究的熱點。文章簡要介紹了希格斯粒子物理的理論問題及其進展。
撰文 | 曹慶宏（北京大學物理學院）、劉佳（北京大學物理學院）、張昊（中國科學院高能物理研究所）
來源 | 選自《物理》2022年第11期
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粒子物理極小標準模型與希格斯玻色子
粒子物理標準模型 (Standard Model of particle physics，簡稱標準模型) 是基於量子場論框架建立的理論模型，描述了電弱能標尺度 (約100 GeV，10-18 m大小) 處構成物質世界的基本粒子類型及其相互作用規律。與原子尺度 (約10-10 m大小) 上有超過100種不同的原子相比，在電弱能標尺度處，物質世界的構成要簡單得多。標準模型只有12種物質粒子和3種規範相互作用。這12種物質粒子分別是6種夸克、3種帶電輕子以及與之相伴的3種中微子，如圖1所示。在這些基本物質粒子之間，存在3種規範相互作用，分別是電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用，與之相應的，是光子、弱規範玻色子和膠子這三類傳遞規範相互作用的規範玻色子。迄今為止，物理學家還沒有找到描述引力的量子理論，因此，引力相互作用沒有被包含在標準模型中。
在標準模型的3種規範相互作用中，弱相互作用是較為特別的一種。20世紀50年代，李政道和楊振寧分析指出，弱相互作用很可能破壞宇稱守恆定律。這一理論推測很快得到了實驗的證實。其後果是，標準模型中粒子的質量會破壞弱相互作用的SU(2)規範不變性。這種對規範不變性的明顯破壞，將導致標準模型粒子在高能散射中表現出病態的行為。因此，標準模型理論的自洽性要求這些粒子的質量為0。然而實驗結果告訴人們，標準模型中的3種弱規範玻色子和至少11種物質粒子都具有非零質量。這就意味着，物理學家必須找到一種既能賦予基本粒子質量，又不明顯破壞弱相互作用規範對稱性的機制。這就是著名的對稱性自發破缺機制。
簡言之，如果物理規律滿足某種對稱性，而物理系統的基態 (真空) 在對稱性變換下發生變化，人們就説這樣的對稱性發生了自發破缺。因此，對稱性自發破缺要求系統具有不止一個真空解 (能量極小值解)。在有限自由度量子力學系統中，除了一些人為構造的情形，由於量子隧穿效應的存在，系統的真空態是唯一的。所以，嚴格的量子系統對稱性自發破缺，只能出現在具有無窮多自由度的量子場論中。在標準模型中，弱相互作用SU(2)對稱性的自發破缺，是通過引入一個SU(2)二重態的基本標量場——希格斯標量場——實現的。如果希格斯場在真空處具有不為零的真空期望，那麼這樣的真空就不具有SU(2)變換的不變性，也就實現了標準模型弱相互作用對稱性的自發破缺。標準模型的12種物質粒子，除3種中微子外，都可以通過與這個希格斯場發生相互作用獲得非零質量，並且不同物質粒子質量的大小，正比於它們與希格斯場相互作用的強度。
弱規範玻色子質量的產生，要更為複雜一些。這是由於零質量的矢量玻色子只有兩個橫向極化自由度 (橫波)，而具有非零質量的矢量玻色子與前者相比多出一個縱向極化自由度 (縱波)。因此，要想使3個零質量的弱相互作用矢量玻色子獲得非零質量，就要求系統提供3個新的 (縱波) 自由度。20世紀60年代，理論物理學家證明了對稱性自發破缺中的戈德斯通定理，這個定理告訴我們，4維平直時空量子場論中每一個整體對稱性的自發破缺，都會導致體系中出現一個零質量的贗標量粒子，這個粒子被稱為南部—戈德斯通玻色子。進一步的研究表明，在規範對稱性的自發破缺過程中，相應的南部—戈德斯通玻色子將會與零質量規範玻色子耦合起來，成為後者的縱向極化自由度，從而使規範玻色子獲得非零質量。這樣的物理機制，就是著名的希格斯機制。在標準模型中，希格斯場包含4個自由度，其中3個在對稱性自發破缺後作為南部—戈德斯通玻色子，通過希格斯機制成為了弱規範玻色子的縱向極化自由度。餘下的一個自由度，成為了標準模型中唯一的一箇中性標量粒子，這就是標準模型中的希格斯粒子。
簡單小結一下，希格斯場觸發的對稱性自發破缺，是標準模型物質粒子和弱規範玻色子質量的來源。所以，為確保標準模型理論自洽，希格斯場必須存在，並且其性質要與標準模型的預言精確相符。因此，希格斯玻色子及其自相互作用，作為希格斯場及其標量勢函數存在的重要證據，其存在性、物理性質和精確檢驗，是當今粒子物理研究的核心課題。
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標準模型希格斯物理理論研究的進展
隨着標準模型的檢驗和希格斯玻色子的發現，近年來，希格斯物理理論的研究，取得了一系列進展。其中，有在標準模型框架內對希格斯物理進行的理論研究，也有在超出標準模型的新物理中對希格斯物理的探索。
2.1 標準模型希格斯玻色子散射與衰變過程的理論計算
粒子物理學對於標準模型希格斯玻色子的研究，主要是通過大型對撞機實驗實現的。為了與實驗結果進行對比提取標準模型中的物理參數，物理學家需要精確地知道希格斯玻色子的各種產生截面和衰變分支比。這些物理量的精確計算，依賴於量子場論精確計算技術的發展。
由於當今世界上能夠產生並精確研究希格斯玻色子的對撞機只有大型強子對撞機 (LHC) ，精確計算希格斯玻色子在LHC上的各種產生過程的截面就是理論物理學家面對的首要課題。由於LHC是一台質子—質子對撞機，微擾量子色動力學 (QCD) 的高階修正效應很可能顯著地改變理論計算的結果。以LHC上希格斯玻色子最主要的產生過程——膠子融合 (gluon fusion) 過程為例，物理學家很早就知道，1階QCD修正會將這個過程的截面提升一倍左右。這就意味着，如果不計算高階QCD修正，理論對於截面的預言將可能出現巨大的偏差，對希格斯玻色子性質的精確研究也就無從談起。
過去很長一段時間內，高階QCD修正的計算一直是一個理論難題。近十年來，隨着螺旋度振幅方法的系統發展，理論家計算高階QCD修正的能力得到了極大的提升，代數幾何等數學領域的前沿結果也被發現與量子場論的高階微擾計算存在某種深刻的聯繫。目前，對於膠子融合過程，理論家已經可以完成3階QCD修正的理論計算，從而大幅提升了理論計算的精度。
希格斯玻色子在LHC上的成對產生過程，由於能夠反映希格斯玻色子與自身相互作用的強度和性質，進而反映希格斯場勢函數的性質，因此具有特別的重要性。在2016年以前，對該過程微擾QCD修正的計算，都只能在特定近似下完成。直到2016年，理論家才完成了第一個完整的1階QCD修正的計算結果，並發現完整結果與之前各種近似結果均有較明顯的不同。這再一次顯示了精確計算的重要理論意義。
相比於QCD修正，標準模型高階電弱修正的理論計算難度往往更大。一般而言，由於電弱修正在數值上要小於QCD修正，所以人們往往更為關注QCD修正。然而隨着QCD修正計算精度的不斷提升，電弱修正計算的重要性也逐漸顯現。這方面的工作，目前也在進行中。
2.2 標準模型希格斯玻色子在重離子對撞實驗中的行為
傳統上，物理學家利用LHC上的質子—質子對撞過程研究標準模型希格斯玻色子的各種物理性質。這樣做的原因在於，質子對撞的環境相對重離子對撞而言較為“乾淨”，有助於排除其他複雜的物理過程對希格斯玻色子性質測量的影響。然而近年來，理論家開始探討利用LHC以及下一代強子對撞機上的重離子對撞過程研究希格斯物理的可能性。儘管重離子對撞的環境相對質子對撞要複雜得多，但高能強子對撞機重離子對撞瞬間產生的夸克膠子等離子體 (QGP)，是少有的能在可控的實驗室環境中模擬早期宇宙熱環境的場合。儘管其典型温度仍然顯著低於電弱相變的温度，卻可以幫助人們瞭解希格斯玻色子在有限温度和高密度環境中的行為。目前，相關的研究已經取得了一些初步的有趣結果。比如，人們發現重離子對撞中的希格斯玻色子產生過程可以用來研究其衰變寬度。另外，某些理論研究顯示，希格斯玻色子在QGP環境中可能存在“熔化”等特別的物理現象。
2.3 標準模型希格斯場的真空穩定性
標準模型的電弱對稱性自發破缺是否能夠發生，高度依賴於希格斯場勢函數 (以下簡稱希格斯勢) 的具體形式。在希格斯玻色子發現之前，人們無法確定其形狀。隨着2012年希格斯玻色子的發現及其質量的測定，理論上，標準模型希格斯勢就被完全確定了。利用標準模型的這些參數，可以計算經典勢函數的量子對應——有效勢。有效勢的計算，由於要考慮各種量子修正效應，不僅依賴希格斯玻色子的性質，還與標準模型中其他粒子與希格斯玻色子相互作用的形式和強度有關。這其中，最顯著的量子修正效應來自頂夸克和弱規範玻色子的貢獻。經過計算，理論學家發現，如果希格斯玻色子的質量就是目前實驗上測到的數值，那麼我們今天所處的真空，並不是有效勢的全局最小值，而只是局域極小值。於是，量子隧穿效應會使得我們的真空“衰變”到那個全局最小值的真正的真空處。也就是説，我們今天所處的世界，是一個隨時可能衰變掉的不穩定的狀態。這當然是一個嚴峻的理論問題。然而，事情有兩個微妙之處。首先，這個結論敏感地依賴於頂夸克的質量，假如頂夸克的質量比目前實驗測量的中心值要輕一些 (百分之一量級)，那麼電弱真空就將是穩定的，上述問題也就不復存在。其次，即便電弱真空會發生衰變，其衰變壽命也遠遠大於宇宙的年齡。因此，目前人們通常説標準模型的電弱真空是準穩定的。另外，這時另一個真空的位置幾乎在普朗克能標附近，而物理學家普遍認同在如此高的能標處，量子場論將不再是合適的理論框架。所以這樣高的真空期望代表什麼含義，仍然是一個值得探討的問題。
2.4 標準模型希格斯玻色子與電弱相變
標準模型希格斯場的行為，在宇宙極早期演化中也扮演着重要的角色。20世紀物理學的另一大成就——宇宙學標準模型告訴我們，宇宙早期是一個非常高温高密的環境，時間越早，温度越高。在這樣的環境中，希格斯場有效勢會隨着温度改變形狀。當温度升高到某一臨界值時，具有SU(2)對稱性的解開始成為真正的真空，在這一臨界温度以上，真空具有SU(2)對稱性，因此電弱對稱性沒有自發破缺。這樣的温度被稱為臨界温度，隨着宇宙膨脹温度降低，整個系統從電弱對稱性到電弱對稱性破缺的狀態轉變的過程，就是物理學家常説的電弱相變，如圖2所示。電弱相變發生的這個臨界温度，就是電弱相變温度。
早期宇宙的電弱相變過程，可能伴隨着其他豐富的物理過程。比如，電弱相變可能是可觀測宇宙中物質遠多於反物質的原因，電弱相變可能會產生引力波信號，等等。當然，這一切都依賴於電弱相變的相變屬性。數值量子場論的研究表明，如果標準模型成立，且希格斯玻色子的質量大於約72 GeV，則電弱相變是一個連續相變過程。也就是説，該過程更像蠟的熔化而非水的沸騰，不伴有相變潛熱的釋放。在這種情況下，電弱相變不會導致宇宙正反物質不對稱，也無法產生相變引力波信號。
2.5 希格斯物理與一階相變和引力波
相變描述了系統或者物態發生的變化，通常由某些序參量來描述。相變分為一階相變和二階相變。其中，二階相變又被稱為連續相變，典型的例子包括鐵磁相變、超導和超流相變。而一階相變會有明顯的潛熱吸收或釋放，在這個過程中温度不變而系統熱能增加或減少。同時，一階相變是在系統中多點發生的，例如水燒開之後，存在多個翻滾的氣泡。在早期宇宙演化中，如果相變是一階的，潛熱會轉化為氣泡壁的動能並且擴張。多個迅速變大的氣泡在宇宙中擴張，並碰撞在一起，合成更大的氣泡並佔滿整個宇宙，使得宇宙處於新的真空態。氣泡的碰撞會導致能動張量的劇烈變化，並釋放引力波[1]，但是更大部分的引力波能量來源於等離子體的聲波[2]以及磁流體動力學湍流[3]。
在早期宇宙中，希格斯粒子在標準模型中的勢能導致的電弱相變是接近於連續的。但是，如果有其他新標量粒子或者其他新的高温項對希格斯勢能進行修正，那麼早期電弱相變有可能是一階的。它可以影響正反物質不對稱的產生以及產生足夠強的引力波信號，從而被引力波探測器 (例如，我國的空間引力波探測計劃“太極計劃”和“天琴計劃”) 所捕獲[4]。
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超出標準模型的新物理中希格斯物理理論研究的進展
現在物理學家越來越認識到標準模型應該視為電弱能標附近的有效場論。譬如僅就標準模型不包括引力相互作用這一條而言，就註定其不可能是終極理論，更不用説它還面臨其他很多無法解釋的理論和唯象問題。因此，在某個更高能標處，應該有一個更為完整的紫外理論，標準模型只是它的低能有效理論。這就意味着，標準模型中的物理參數應當在紫外理論的退耦能標處輸入，而後通過重正化羣跑動得到電弱能標處的參數值。希格斯玻色子的質量也是標準模型中的物理參數，所以也應該由紫外理論在退耦能標處輸入，併疊加上量子修正給出。這就像分子動力學中水分子的質量應該由更為微觀的氧原子和氫原子的質量加和，併疊加上它們之間的結合能給出一樣的自然。然而，希格斯玻色子的質量參數從退耦能標處到電弱能標處獲得的量子修正效應 (不依賴於紫外理論，完全被標準模型所決定) 正比於退耦能標，因此，如果電弱能標遠遠低於退耦能標，為了給出電弱能標處的希格斯玻色子質量，勢必需要其在紫外理論中的輸入值和之後的量子修正值都正比於退耦能標，且二者符號相反，使得它們相減之後得到一個很小 (電弱能標) 的數值。在很多理論物理學家看來，這是非常不自然的事情。這一問題，就是標準模型中十分著名的等級問題 (hierarchy problem)。除此之外，還有其他各種唯象學相關的問題。我們接下來簡要介紹一下希格斯物理理論研究中和超出標準模型相關的新物理問題。
3.1 多希格斯粒子模型
在標準模型中，希格斯粒子是電弱二重態，並且只有一個。人們自然要問，還有其他的希格斯粒子嗎？答案自然是完全有可能，並且粒子物理實驗已經在搜尋這些新的希格斯粒子。這種可能性有多重考量。第一，歷史上人們在找到最輕的帶電輕子電子的反粒子之後，很快又找到了比電子質量重200倍，其他性質一模一樣的帶電輕子——繆子。諾貝爾獎獲得者拉比提出了一個有名的問題：“誰訂購的繆子？”再後來，人們又找到了電子的第三代翻版——更重的陶子。因此，自然界存在更多的希格斯粒子是完全有可能的。第二，在超對稱理論中，超時空對稱性需要至少兩個希格斯二重態粒子；一個和上三代夸克耦合，一個和下三代夸克耦合。因此，雙希格斯二重態模型是研究得很多的一種理論模型，它包含了額外的中性和帶電希格斯粒子。第三，在標準模型中，希格斯粒子耦合的是每種費米子的質量本徵態。在加入更多希格斯粒子後，希格斯粒子可以具有味破壞的耦合，是實驗上一種新的預言。第四，不同於標準模型的希格斯粒子，例如電弱三重態，可能與中微子質量產生相關。因此，多希格斯粒子的模型具有各自的物理動機，並且在實驗上產生不同於標準模型的物理現象，是當前實驗正在搜尋的重點之一。
3.2 等級問題與超出標準模型的新物理模型
等級問題的另一個表述是為什麼弱相互作用力強度 (參考費米常數) 和引力相互作用強度 (參考牛頓常數)，兩者相差了大約1033倍？這個問題也表明了物理學家的終極夢想，統一包括引力在內的所有已知力，這是一件非常困難的事情。等級問題還可以表述成如果標準模型作為有效理論的截斷能量是普朗克能標Mpl，為什麼希格斯粒子的質量遠遠低於該能標，如圖3所示。因此，無論是理解希格斯粒子性質的點點滴滴，還是統一所有力的終極夢想，仔細和深入地研究希格斯粒子是萬里長征的開始。
物理規律通常都是分層次的，由截斷能標表明該規律的適用範圍，而且截斷能標之上的紫外物理不會顯著影響到該物理規律。例如，氫原子的能級並不直接受到夸克運動等紫外物理規律的影響。然而，希格斯粒子是個例外。通常，粒子在傳播過程中會受到相互作用的影響，例如光子在等離子體中獲得質量，中微子在物質中傳播振盪模式會受到影響 (MSW效應)。同理，希格斯粒子在傳播過程中，會受到真空中虛頂夸克圈的影響。在圈圖中頂夸克的動量可以是任意值，並且按照量子路徑積分的精髓，不同動量的貢獻是按照相同權重加起來的。問題在於，標準模型中紫外大動量的貢獻沒有額外的壓低，因此希格斯質量對未知的紫外貢獻格外敏感。所以，實驗觀測到的希格斯質量大小經過了自然界的某種精細調節，這也稱為自然性問題。
等級問題引起了眾多理論物理學家的興趣，他們提出了諸多深刻的理論來解決這個問題。解決的方法大致分為兩類：
第一類解決辦法認為，截斷能標Mcut沒有想象中那麼高，它實際上在希格斯粒子質量附近。這也是為什麼人們認為TeV (1 TeV=1000 GeV=1012 eV) 能標附近可能存在新物理。這其中，一部分理論採取了新的對稱性、新的粒子和相互作用，使得截斷能標Mcut到普朗克能標Mpl對希格斯粒子的影響比原來預期小。
例如，長期受人關注的超對稱理論，採用了一個更高的時空對稱性，使得玻色子和費米子之間互相關聯[5]。原來虛頂夸克圈的紫外部分貢獻被頂夸克的超對稱伴子精準地抵消了，因而希格斯粒子的性質不再受到普朗克能標附近的紫外物理影響[6，7]。在新理論中，希格斯質量在量子意義上可計算的紫外敏感被去除，結果正比於頂夸克超對稱伴子的質量。
複合希格斯粒子模型，採用了一個全局對稱性，其中希格斯粒子是全局對稱自發破缺後的贗戈德斯通粒子，而戈德斯通粒子的特性保護希格斯粒子質量不受紫外物理的影響[8]。理論需要提供額外的粒子來滿足全局對稱性，同時上述全局對稱性除了自發破缺，還需要含有顯式軟破缺的相互作用，否則希格斯粒子質量是零。在這類理論中，希格斯粒子的質量最後正比於參與顯式軟破缺的新粒子質量。
還有一部分理論認為，截斷能量沒有那麼高，是由於新空間維度的引入，使得原來從引力相互作用估計得到的截斷能標需要修改。在大額外維模型中[9，10]，除了我們目前看到的4維時空，還存在着其他的空間維度。標準模型中的強、弱和電磁相互作用力僅存在於4維時空，而引力相互作用存在於所有的時空維度，這也解釋了為何引力相互作用看起來很弱。在尺度小於額外維度的典型長度後，引力得到加強。在5維彎曲時空 (Randall—Sundrum) 模型中[11，12]，我們處於一個4維時空膜並具有TeV的典型能量，而在第5維的另一端連接着普朗克膜並具有Mpl的典型能標。由於時空沿着第5維的彎曲，使得能標的大小指數型地決定於所處的第5維y的位置，
第二類解決辦法是近年來理論研究的新發展。它們認為電弱能標可以是截斷能標之下的任意值，而電弱能標比普朗克能標低很多是早期宇宙演化選擇出來的結果。在弛豫子 (relaxion) 模型中[13]，弛豫子的行為和軸子場類似，並且和希格斯粒子的質量項有相互作用。在宇宙演化初期，希格斯粒子質量是正的，並且接近於極大的階段能量。當弛豫子勢能隨着早期宇宙演化，希格斯粒子質量開始逐漸減小並最終變為負值。同時，弛豫子對應的強相互作用產生一個非微擾的三角函數勢能，使得弛豫子停止演化，幫助希格斯物理中的電弱真空相變在此時發生。所以，希格斯質量是弛豫子場在早期宇宙演化的一個結果。在大N自然性模型 (Nnaturalness) 中[14]，理論假設宇宙中有大N份標準模型的備份，在每個備份中，
縱觀各種解決辦法，都會引入新粒子和希格斯粒子進行相互作用，因此在未來的粒子物理實驗上可以搜尋這些新粒子。即使這些新粒子太重，不能直接在對撞機上產生，他們可以與希格斯粒子和其他粒子相互作用，在樹圖水平或者圈圖水平上產生修正。因此，在對希格斯粒子的精確測量中，有望發現希格斯粒子性質對標準模型預言的偏差，從而找到這些背後的新粒子以及新物理規律。
3.3 希格斯粒子與中微子質量和振盪起源
中微子是粒子物理標準模型中的基本費米子，它是唯一電中性的基本費米子，並且質量是最小的。在標準模型的早期，人們並不需要中微子具有質量，直到中微子振盪實驗現象的發現，表明中微子確實具有極小但是非零的質量[15]。這是一個明確的超出標準模型物理的實驗現象。
通常，在標準模型中費米子分為左手和右手兩個部分，左手費米子和右手費米子是完全不同的客體，它們具有不同的規範相互作用。希格斯粒子是兩者的橋樑，它可以將左手費米子轉化為右手費米子，反之亦然；此外，希格斯機制賦予了基本費米子質量，如圖4所示。這個機制在標準模型其他費米子身上運行良好，除了我們無法解釋不同費米子的質量為何相距甚遠。
同樣的機制簡單運用到中微子身上會有兩個問題。第一，我們已經找到的中微子全是左手費米子，而沒有找到右手費米子。目前粒子物理標準模型的物質場列表裏面，還沒有右手中微子。第二，假設存在右手費米子，同時假設中微子是狄拉克費米子，那麼由於中微子
3.4 希格斯之門
天文學和宇宙學的大量觀測結果都支持宇宙中存在一種未知物質。它參與引力相互作用，因不發光 (不參與電磁相互作用) 而被稱為暗物質。我們對它知之甚少，既不知道它參與的其他相互作用也不知道它的質量，其物理本質至今是一個謎。在暗物質熱退耦合機制中，如果暗物質湮滅的截面和電弱相互作用截面大小一致，那麼暗物質可以自動獲得今天觀測到的暗物質宇宙丰度，人們稱之為弱相互作用大質量粒子 (weakly interacting massive particle) 奇蹟[17]。這強烈暗示着暗物質可能具有和電弱能標或者希格斯質量相接近的質量，由於希格斯機制是標準模型電弱相關粒子的質量來源，因此暗物質有很大概率和希格斯粒子有關[18]。
除此以外，暗物質比普通物質多4倍，鑑於我們世界的粒子和物質形式多種多樣，暗物質及其相關粒子可能更加豐富多彩，人們稱之為暗世界。希格斯粒子自身和它的複共軛可以組成一個量綱為2的規範不變的算符(H†H)，這個算符可以連接其他暗世界的粒子或者暗物質本身，因此該算符被稱為希格斯之門 (Higgs Portal)[19]：
如果暗物質和希格斯粒子相關，那麼希格斯粒子可能衰變到暗物質和其他難以探測的粒子，形成在大型強子對撞機上不可見的衰變。這種不可見衰變可以通過對撞機上的丟失動量事例來探測，目前實驗可以限制希格斯不可見衰變分支比小於18% (95%置信度) [20]。該分支比可以根據對應理論模型，來限制暗物質和希格斯粒子的相互作用強度，同時也可以限制暗物質通過希格斯粒子與標準模型核子作用的散射截面。該限制可以與暗物質直接探測實驗 (例如我國錦屏深底實驗室的PandaX和CDEX實驗) 形成良好的互補，因為在暗物質低質量區域，直接探測實驗受到實驗閾值的影響，而對撞機實驗對低質量暗物質有很好的探測效果，如圖5所示[21]。
4 總結
從2012年到2022年，十年過去了。我們從發現標準模型理論預言的希格斯粒子開始，到今天積累了大量相關實驗數據。這些數據表明已經發現的這個粒子的性質與標準模型的希格斯粒子基本符合。作為唯一的基本標量粒子，它在標準模型中是一個非常特殊的存在。從歷史的角度來看，發現希格斯粒子不是故事的結束，而是新故事的開始。對於希格斯粒子，我們仍然有非常多的問題沒有得到解決。從有效理論的敍事角度來看，物理規律是分層次的，具有一定的適用範圍。當能量高到一定程度，舊理論失效，新的理論出現，上述規律屢試不爽。但是希格斯粒子極其特殊，它沒有告訴我們切換理論的能標在哪裏。或許如往常一樣，它就在拐角不遠處，但是人們還需要跳得再高一點才能夠得着；亦或許事情和往常的預期完全不一樣，它的背後存在着前所未見的新理論。
千里之行，始於足下。當前的大型強子對撞機會繼續積累更多的數據，同時，人們正在準備建設正負電子希格斯工廠，例如未來環形對撞機 (future circular collider，FCC)、環形正負電子對撞機 (circular electron-positron collider，CEPC) 等大科學裝置。目前粒子物理方向的國際共識，例如歐洲的粒子物理戰略 (European Strategy)、美國物理學會粒子與場分會組織的粒子物理學科規劃 (Snowmass)、國際未來加速器委員會 (ICFA) 等，認為正負電子希格斯工廠是優先級最高的下一個對撞機。正負電子希格斯工廠信號高、本底低，比高亮度大型強子對撞機靈敏度更高，因此希格斯粒子的全方位測量可以達到極高精度。高精度希格斯粒子測量是新物理尋找的最重要方向之一。無論解決希格斯粒子相關問題背後的新理論是什麼，希格斯粒子有很大概率會和超出標準模型的新粒子有新的相互作用。這將在樹圖或者量子圈圖水平對希格斯粒子和標準模型粒子的相互作用造成影響。希格斯工廠有利於發現希格斯粒子對標準模型的吻合以及偏離，從而幫助人們找到背後的新物理理論。希格斯粒子是自然界留給人們的一把鑰匙，對希格斯粒子的深入理解，必將使人們對自然界規律的認知得到巨大的提升。
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