PDF《我们处于希格斯深渊的边缘吗？》

物理攫英 ・45卷(2016 年)

1 期 我们处于希格斯深渊的边缘吗? (北京大学 徐仁新 编译自Alexander Kusenko.

Physics, November 9, 2015) 粒子宇宙学家审查已知粒子物 理定律是否跟观测到的宇宙演化一 致,以及这些定律预示着怎样的未 来.我们需要修改个别定律吗?宇 宙是稳定的还是"亚稳的" ?俄罗斯 Dubna联合核子研究所的Bednyakov 及其合作者给出新的理论分析,将 这些基本问题跟大型强子对撞机 (LHC)的最新发现联系起来.他们 的结论是:若标准模型正确,包括 希格斯玻色子质量在内的测量值暗 示宇宙正处于亚稳态.不过,他们 也认为,宇宙可能要比此前的看法 更稳定. 在量子理论中,一个稳定的 "真实"真空对应于标量势(依赖场 强的函数)的最小值,而亚稳态(即 "伪"真空)则为局域极小.如果宇 宙处于最低的势能,那么它将来不 受威胁.但也有可能,目前势能是 局域极小的,存在更低的最小值;

一个有限的势垒将局域极小和那个 无底的深渊隔开.在这后一种情况 下,宇宙最终会隧穿至另一状态, 生命将不复存在.当然,这种灾难 性事件的概率很小,毕竟我们的宇 宙已经维持百亿年了.不过,这一 可能性所导致的"世界末日"令人 不安. 宇宙基态依赖于希格斯场的势 能(见图);

这一点随着希格斯子的 发现得到验证.可依据希格斯玻色 子和顶夸克的质量来回答宇宙到底 处于真实真空还是伪真空.要做这 样的计算必须假定:直到普朗克能 标也不会出现超出标准模型的新物 理(如新的粒子或力).将这些粒子 的质量跟宇宙的命运联系起来是有 意义的.称为"重整化群演化"的 数学形式促进了这里的分析.随着 希格斯玻色子质量 ( 约125 GeV) 的测量,关于宇宙稳定 性的问题显得尤为 突出,或意味着宇 宙处于亚稳态.因此,优化理论计算 及相关预测是及时的. Bednyakov 等 给出了迄今最好的 分析.他们采用更 好的近似得到希格 斯势;

计算中考虑 强相互作用四圈图修正及重整化群 演化的三圈图.这些作者得出结 论:测量参数(包括希格斯和顶夸克 质量)的最好理论拟合暗示宇宙处于 亚稳态.不过,他们的分析也认为 我们的宇宙比先前看法更接近稳定 区;

如果测量参数仅偏离期望值1.3 倍方差,宇宙可能是完全稳定的. 因此,未来需要更精确地测量希格 斯玻色子和顶夸克的质量以及强作 用耦合常数. 若宇宙的确处在伪真空,它将 如何演化?负能泡沫的形成或阻止 宇宙充满希格斯伪真空.亚稳态也 表明标准模型不能至普朗克尺度 一直有效,新的粒子和相互作用 将影响标量势.此外,接近不稳 定性也暗示着希格斯势并未如所 料而急剧地随场强增长.在宇宙 暴胀期,浅势标量场往往具有较 大的期望值.对于希格斯场而言,可能导致物质―反物质的不 对称性. 为认识宇宙的过去和未来,评 估世界末日预言的正确性,我们需 要更精确地测量标准模型参数,包 括希格斯玻色子质量.未来这方面 的进展将会来自 LHC、国际直线对 撞机(ILC)及超大型强子对撞机(VL- HC)等实验. 更多内容详见: A. V. Bednya- kov, B. A. Kniehl,A. F. Pikelner et al. Phys. Rev. Lett., 2015, 115: 201802. 我们的宇宙或处于亚稳态,但可能比此前认为的稳定些. 宇宙的基态依赖于希格斯场的势能.如果宇宙处于势能的 最小值(即"真实"真空态),那么它是稳定的.真空若只 是局域势能极小,存在更低的最小值,则为"伪真空" ;