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在希格斯玻色子神秘质量的推动下，大型强子对撞机（LHC）上进行的实验可以间接测试这一理论。

希格斯场因其赋予其他粒子质量而闻名。但这并不是一种单向关系，希格斯场的相互作用也会影响其自身的粒子——希格斯玻色子。由于这种相互影响，一些物理学家认为希格斯玻色子的质量应该与其相互作用的最大质量尺度“普朗克尺度”大致相当。

但事实并非如此。普朗克尺度位于人们认为引力变得与其他三种基本力一样强大的巨大能量处，约为10¹⁹千兆电子伏特。这比希格斯粒子125 GeV的实际质量大了好几个数量级。

期望与现实之间的差距怎么会如此之大？是否有什么东西在?；は８袼沽Ｗ硬皇芷绽士顺叨任锢硌У挠跋?？这两个尺度巨大的、出乎意料的差异被称为层次问题。

在过去的几十年里，物理学家们提出了许多理论来解决层次问题，从超对称到扭曲的额外维度，再到将希格斯粒子想象成一种复合粒子。然而，在2012年发现希格斯玻色子的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上，人们试图找到支持这些理论的证据，却一无所获。

在美国高能物理界正在进行的规划过程中，物理学家们讨论了另一种解释希格斯粒子质量的方法：用一类被称为“中性自然性”的理论。

马里兰大学物理学教授扎卡里亚·查科（Zackaria Chacko）是这一框架的发明者之一，他说："在解决层次问题方面，中性自然性是为数不多的仍然可行的想法之一。

一些科学家表示，中性自然性可能是解释超对称性或复合希格斯理论缺陷的缺失部分。对于具有前瞻性的物理学家来说，重要的是，大型强子对撞机的实验和其他计划中的未来实验都有能力对这一理论进行检验。

丰富多彩的问题

针对层次问题提出的一些解决方案要求存在假想的伙伴粒子，其质量不能远远超过最重的标准模型粒子——顶夸克的质量。这些粒子可以"?；?quot;希格斯粒子的质量不受高能尺度的影响。

根据超对称性等理论，其中一些伙伴粒子应该带有一种叫做  "颜色电荷  "的东西。电荷对电磁力的作用就像色荷对强核力的作用一样。正如电磁力作用在电子等带电粒子上一样，强大的核力作用在夸克等带色粒子上。当带电粒子被描述为正电荷或负电荷时，带颜色电荷的粒子则被描述成红色、绿色或蓝色，反粒子则被描述为反红、反绿或反蓝。

如果像超对称这样的理论是层次问题的解决方案，那么科学家们现在就应该在大型强子对撞机的数据中，看到具有类似夸克颜色电荷的伙伴粒子的证据了。但他们仍没有看到。如果伙伴粒子确实以某种形式存在，那么它们的质量必须足够高，以至于LHC无法产生它们。

考虑到这一点，查科和他的合作者提出了一个新的理论，一个关于颜色中性的伙伴粒子理论。于是，中性自然性诞生了。

物理学家很难直接探测到这些拟议中的中性色伙伴粒子。匹兹堡大学物理学和天文学副教授布莱恩·巴特尔（Brian   Batell）说：“当你碰撞质子时，你就是在碰撞与强大核力相互作用的粒子。由于（伙伴粒子）是中性的，当我们进行LHC实验时，不会大量产生它们，因为它们不会与强大的核力耦合。此外，如果它们不会与标准模型的其他力耦合，它们就可能不会出现在精确测量中?！?br />

对此，最初提出的解释是，中性粒子可能只是存在于我们宇宙的另一个隐秘部分。

寻找中性自然

2005年，查科和两位同事霍克森·高（Hock-Seng Goh）和罗尼·哈尼克（Roni Harnik）发表了第一篇关于中性自然性的论文——尽管当时还没有这个名字。他们把自己提出的模型称为“双希格斯粒子”。

双希格斯模型假设了一个与我们的世界几乎完全相同的隐藏部门或"镜像世界"。与我们的世界一样，拟议中的镜像世界将拥有标准模型中所有粒子和力的孪生版本，包括希格斯玻色子。这对双胞胎希格斯粒子将通过我们的希格斯玻色子与宇宙耦合，在我们的世界和镜像世界之间建立唯一的桥梁。与我们的宇宙不同，镜像世界中的粒子和场在标准模型下不会携带电荷。因此，LHC无法直接观测到镜像世界中的相互作用。

但是，如果我们看不到能够显示镜像世界的粒子，我们又该如何测试中性自然性呢？间接地，通过寻找中性自然性模型预测的现象。

例如，双希格斯粒子模型预测希格斯粒子性质的微小偏差。

巴特尔说：“大型强子对撞机以及正在考虑中的一些未来对撞机的主要目标之一，就是非常精确地测试希格斯玻色子的特性。我们希望尽可能精确地测量它与其他标准模型粒子的所有耦合。如果我们这样做了，希望可能会出现一些偏差，这可能是中性自然性或其他超出标准模型理论的迹象?！?br />

如果镜像世界比原始模型预测的更复杂，那么另一种可能性是希格斯粒子产生的镜像粒子可能会衰变回可检测到的标准模型粒子。实验信号会显示希格斯玻色子正在产生并在无形中衰减，然后，在探测器的更远处，多个粒子会突然出现。寻找这些所谓的“长寿命粒子”已经成为大型强子对撞机的一个活跃研究领域。

有几种中性自然性模型可以做出不同的预测。例如，“古怪的小希格斯”和“折叠超对称”模型与双希格斯模型有根本不同，不涉及镜像世界。相反，它们预测了新的粒子，虽然在强大的核力下是中性的，但在电磁力作用下是带电的。

巴特尔并没有对哪种中性自然性模型最有可能是正确的给出结论。他说：“我们掌握的数据让我深受鼓舞。在我们以某种方式看到这些粒子之前，我会保持开放的心态?！?br />

中性自然性模型除了需要间接测试外，还有一些缺点。从技术上讲，中性自然性并不是层次问题的完全解决方案。它主要解决了希格斯质量奇怪地低于LHC探测的最高能量尺度这一“小层次问题”，而不是希格斯质量距离普朗克尺度更远这一更重要的问题。

中性自然性模型可以嵌入超对称或复合希格斯理论，以解决大层次问题。然而，这些理论预测的带颜色电荷的粒子预计是LHC无法企及的。查科说：“这就是为什么中性自然性框架是未来任何对撞机项目的目标之一。”

中性自然性可以解决粒子物理学和宇宙学中的其他难题。查科表示，双希格斯粒子模型可能能够解决西格玛-8问题，该问题与宇宙中物质的分布有关；也可能在解决与宇宙膨胀速度有关的哈勃张力方面发挥作用。

一些中性自然性模型的镜像世界也可能包含我们宇宙中其他看不见的组成部分。一些与暗物质和暗能量有关的理论也假设了一个隐藏的扇区，他们称之为“暗扇区”。巴特尔说表示，中性自然性为暗扇区的想法提供了一种自上而下的动机。已经可以看到（在镜像世界中）有一堆新粒子和一堆新力量，也许暗物质是这个领域的一部分。

自然界是否与中性自然性的预测相匹配还有待观察。目前，该理论为物理学家们寻找隐藏粒子和新物理学提供了动力。

杨百翰大学物理学和天文学助理教授克里斯·韦尔哈伦（Chris Verhaaren）说：“对我来说，这些模型是探索可能性的一种方式，即使在这些较低的尺度上，我们可能也没有考虑太多，因为我们花了太多时间思考这些其他的大范式?！?br />

他与巴特尔等人一起撰写了一篇关于中性自然的白皮书?！暗蔽颐撬?，‘让我们以一种前所未有的新方式来看待问题’时，我们就是在学习。如果我们什么也没找到，那我们也仍然学到了一些非常新的东西?！?/span>

来源 | 《Symmetry》期刊官网

编译 | ?槟榔郭