来自大爆炸的线索

1980年,A·古斯提出了一个大爆炸的变型,解决了上述和别的一些问题。他提出,在宇宙处在大爆炸后仅10-35 s的初始期,宇宙通过一种所谓“暴胀”的高速膨胀而演化。在这过程中,其尺寸每隔10-36 s翻一番。这使得甚早期的宇宙小区域基胀,而产生一个巨大、均匀的空域,就像我们今天看到的那样。自1981年以来,“暴胀理论”已修正过几次,而其基本思想,仍是宇宙初始期经历过一次甚高速膨胀。

现在流行的暴胀假设,要求在宇宙甚早期存在一种准希格斯标量场。这种假设是这样的,在宇宙某个小区域,这种场处在准稳态中,类似于滚珠放在酒瓶底凸出部的顶上。换言之,宇宙在这个区域的势能并非是可能的最小值,这种状态称之为“假真空”。以区别于对应为最小能态的“真真空”。在此阶段,宇宙这一特殊区域的能量密度,是由假设真空的势能决定的,且随着宇宙膨胀,其能量密度不变。广义相对论的方程告诉我们,这意味着,宇宙的这一小区域将呈幂级数膨胀,或即暴胀。一个微小的波动(为把滚珠从酒瓶底顶部打落提供了轻微的一击)都足以使该区域从假真空“滚入”真真空。一旦进入真真空,宇宙的这一区域就慢慢膨胀了(一如标准大爆炸论所说的那样),从而成为我们今日所见的那个模样。从假真空中所释放的能量变成了我们观察到的全部物质和辐射。这个基胀论在宇宙学中是如此吸引人,最重要的是,其基本思想都是已证实了的和易于理解的。其主要特征是假真空的存在,而这又依赖于一个准希格斯场的标量场的存在,故宇宙学家和粒子物理学家,对存在于自然界的希格斯那类标量场的发现都感兴趣。

证明希格斯场存在的方法就是去寻找希格斯玻色子。遗憾的是,标准模型并未预言希格斯玻色子有多重或该是什么模样。这是因为质量依赖于势能(即“酒瓶”底凸起部的高度),而这一点似乎只能用实验来发现。希格斯场最简单的可能结构(通过基本标准模型)给出了一种单一的中性希格斯粒子,但也涉及十分复杂的情况。一种人们熟悉的可能情况是与“超对称”概念有关的。若这种对称性存在,那么全部已知的、自旋为1/2的粒子,都该有更重的、自旋为1的伙伴粒子,反之亦然。超对称理论具有一种复杂结构,从而给出了几种希格斯粒子,带电的和中性的。只有发现一种或多种希格斯粒子,或者,确证它们并不存在,才会出现未来的理论。

大型正负电子对撞机LEP开始了对希格斯粒子的急切探索,在LEP提高能量后,这一工作仍将继续。但即使是LEPI,也只是近于这种粒子的最低能量,需要开拓高达约80 Ge V(或近于质子质量80倍)的范围。希格斯粒子或其他玻色子的质量可能10倍于这个量,也不致破坏物理学定律。要研究这些大质量的可能性,需要能探测更高能量的机器,其能量范围在100 Ge V或更高。达到如此高能的办法,是采用质子束对撞机。质子含有夸克,它们通过弱力辐射W粒子或Z粒子,就如它们能辐射光子一样(我们见到的光是电子放射的光子,但在足够高的能量上,质子也能放射光子,同步加速器辐射的就是这种光子,它是高能质子弯曲地通过磁场时产生的)。在很高的能量上,两个夸克相碰,两者皆能放射W粒子或Z粒子,后者又相互作用而产生希格斯粒子—这是一个由保持了对称性的希格斯机制引入的、相互作用的事例。换言之,希格斯粒子是W粒子或Z粒子碰撞的产物。