2012 年 7 月 4 日消息传来，让一些科学家感动落泪。其他人跳起来欢呼。经过几十年的期待，物理学家终于发现了希格斯玻色子。

在最初的检测之后的几年里，物理学家越来越熟悉这种基本的、承载力的粒子，它是由赋予粒子质量的不可见场产生的。他们改进了对希格斯玻色子的质量、宽度、自旋、与不同粒子的耦合和其他特性的测量。他们得到的测量结果比他们预期的要精确。

然而，还有很多东西要学。大多数对希格斯粒子的测量还没有达到科学家区分可能导致新见解和发现的模型所需的精度。希格斯玻色子的某些方面甚至还没有被探测到。

“第一次发现希格斯玻色子花了 60 年时间，在过去的 10 年里，我们已经非常了解它，”欧洲核子研究中心的物理学家、ATLAS 合作组织的教育和外展协调员、同事 Rebeca Gonzalez Suarez 说瑞典乌普萨拉大学教授。“到目前为止，它看起来很正常——非常像我们对标准模型的期望。但它仍有可能让我们感到惊讶。”

今天，物理学家正在继续改进他们的测量——甚至为未来的对撞机开发想法——以充分揭示希格斯玻色子的奥秘及其在宇宙中的位置。

“通过非常精确地测量希格斯粒子，我们可以了解标准模型之外的物理学，并可能找到通往标准模型之外的新领域的门户，”美国能源部布鲁克海文国家研究所的物理学家 Kétévi Assamagan 说纽约实验室。

随着物理学家试图越来越准确地了解希格斯粒子，他们希望回答以下四个问题。

2. 希格斯粒子如何与其他粒子耦合？

虽然物理学家还不知道希格斯粒子是否与自身耦合，但他们确实知道它与其他粒子耦合。在某些情况下——比如顶夸克，标准模型中最重的粒子——耦合是很好理解的。但物理学家才刚刚开始了解有多少其他粒子，如相对较轻的 μ 子，与希格斯玻色子相互作用。

标准模型预测了给定粒子与希格斯粒子耦合的程度，并且与粒子的质量有关：粒子质量越大，耦合越大。到目前为止，耦合的测量结果与这些预测相符。但这些测量的精度还不够高，无法判断是否可能与标准模型有任何偏差。确切了解希格斯对如何帮助科学家了解粒子如何获得质量。

“如果我们在对希格斯玻色子与其他粒子的耦合进行精确测量时发现任何差异，这可以告诉我们是否存在新的物理学，”Vernieri 说。

3. 还有其他希格斯粒子吗？

到目前为止，物理学家只发现了一个希格斯玻色子，这正是标准模型所预测的。但是一些扩展标准模型的替代理论需要更多类型的希格斯粒子。

“没有理由不应该有更多，”布鲁克海文国家实验室的理论粒子物理学家 Sally Dawson 说。“关于它的样子，有很多可能性。”

一些模型表明，有一个版本的希格斯粒子具有与我们所知的玻色子不同的特性。2012 年发现的希格斯玻色子自旋为零，没有电荷，但其他希格斯粒子可能具有不同的特性。其他模型提出有一种希格斯粒子与重粒子相互作用，另一种与较轻粒子相互作用。又或许我们看到的希格斯粒子实际上是多个不同粒子的复合体。

“我们可能发现的任何额外的希格斯粒子都表明必须有新的物理学，”阿萨马甘说。“它可以帮助我们解释一些不一定符合标准模型的东西。”

一些可以用额外的希格斯粒子来解释的现象包括暗物质、中微子振荡、中微子质量之谜，以及为什么宇宙中物质和反物质不平衡。如果那里还有其他希格斯粒子，物理学家希望在对撞机实验中看到它们的足迹。

4. 希格斯粒子是否与暗物质或其他不寻常的粒子有关？

由于希格斯玻色子有助于解释质量的来源，许多科学家认为它应该与暗物质相互作用：这种神秘物质似乎只能通过引力与日常物质联系起来。

“希格斯粒子可能是我们和这个可以隐藏暗物质的黑暗区域之间的门户，”冈萨雷斯苏亚雷斯说。

某些理论预测暗物质通过交换希格斯玻色子与正常物质相互作用。如果是这种情况，那么产生希格斯粒子的碰撞也可能产生暗物质粒子。

“标准模型中的希格斯粒子不会衰变为暗物质，但一些模型表明存在相互作用，”道森说。“测量希格斯特性很有可能告诉你一些关于暗物质的信息。”

在其他情况下，当希格斯粒子衰变时，它可能会产生物理学家甚至没有考虑过的其他全新的、不可见的粒子。在对撞机实验中没有发现任何不寻常的粒子——它们的存在可以从碰撞后丢失的能量中推断出来——但物理学家还没有完成研究。

物理学家将如何回答这些问题？

物理学家正在大型强子对撞机上研究希格斯粒子，在升级实验和加速器综合体以及大流行病延误后，在中断了三年之后，希格斯粒子刚刚再次升温。这些升级旨在让物理学家对希格斯玻色子进行更精确的测量。但是，除非有非常大的差异，否则这个精度可能不足以看出是否与标准模型有任何偏差。

本次运行计划持续到 2025 年底，大型强子对撞机将进行另一次升级，将加速器转变为计划运行到 2040 年左右的下一代高亮度大型强子对撞机。这将使物理学家测量希格斯如何与其他粒子耦合到大约 5% 的不确定性。虽然物理学家希望在这个高光度阶段产生更多的希格斯玻色子，但测量自耦合仍然是一个挑战。

从长远来看，科学家们正在考虑在大型强子对撞机之外研究希格斯玻色子的方法，大型强子对撞机旨在通过质子-质子碰撞研究大量现象。质子以多种方式发生碰撞，当科学家们不确定该去哪里寻找时，这给了他们很大的空间。但它们很混乱，这使得很难确定特定类型的粒子和事件。

这就是为什么一些科学家提出了一个未来的“希格斯工厂”，他们可以专门调整它来生产许多希格斯玻色子。希格斯工厂不会碰撞质子，而是碰撞物质和反物质对，例如电子和正电子。这些粒子会相互湮灭，消除在大型强子对撞机上观察到的大部分碰撞混乱，让科学家们能够更仔细地观察产生的希格斯玻色子。这样的仪器应该使科学家能够达到 1% 的精度，以对大多数耦合进行精确测量，并探测希格斯自耦合的理论预测。

与此同时，物理学家并不希望在正在进行的实验中出现意想不到的事情。随着大型强子对撞机的每次升级，物理学家都有机会看到新的粒子或与新的隐藏扇区的联系。Gonzalez Suarez 说，或者也许意想不到的因素可能会导致希格斯粒子对的生产量超过预期。

“你永远不会知道实验科学，”道森说。“这总是令人兴奋，因为有很多可能性，我们不知道哪