2012年在大型強子對撞機（LHC）上發現希格斯玻色子是理論和實驗物理學的一個勝利，然而它的影響才剛剛開始被理解。由ATLAS和CMS合作進行的精確測量表明，這個負責產生基本粒子質量的基本粒子的行為與有半個世紀歷史的粒子物理學標準模型所預測的一樣。但是希格斯玻色子從何而來？以及為什麼它這麼輕，以至於大型強子對撞機能夠成群結隊地產生它？

歐洲核子研究中心理論物理部舉辦了一次研討會，探討希格斯玻色子的特性和起源的非常規解釋。雖然沒有發現”自然”解決方案的證據，但來自ATLAS和CMS實驗的未來數據將指引前進的道路，有可能改變我們對基礎物理學的理解。

在1月30日至2月3日由歐洲核子研究中心理論物理部主辦的為期一周的研討會”自然性的異國方法”上，人們討論了這些難題。

希格斯玻色子是已知最簡單的粒子：一個沒有電荷和自旋的”真空碎片”。與所有基本粒子一樣，它是一個被稱為場的更基本實體的激發，或者說是量子–獨特的無特徵的布魯特-恩格勒特-希格斯場，它均勻地充滿了所有空間。這個場被理解為在大爆炸後幾分之一納秒的一個劃時代的”電弱”相變期間出現的；而此前，像電子這樣的基本粒子是以光速運動的，之後它們永遠被迫與這種量子糖漿相互作用，這使它們具有了質量屬性。

來自CMS實驗的事件顯示，用於搜索額外的重希格斯玻色子。資料來源：歐洲核子研究中心

但如果這幅圖是真的，希格斯玻色子本身應該從已知粒子與其母體場的相互作用中獲得質量。將這些所謂的量子修正加在一起，將表明希格斯玻色子的質量值比觀察到的要大很多個數量級。除了使它超出任何可以想像的實驗的範圍之外，這樣一個重量級的希格斯粒子將不允許我們所知的宇宙形成。

早在希格斯玻色子被發現之前就意識到了這個悖論（稱為電弱層次問題），並且在標準模型所描述的那些粒子和力量的可能存在的指導下，物理學家提出了各種解釋。其中一個解釋是，希格斯玻色子是由更多的基本實體組成的，它們被非常強大的力量固定在一起，從而規避了量子修正的影響。另一種是時空擁有額外的”超對稱”維度，這將意味著存在一個全新的粒子鏡像世界，可以抵消標準粒子的麻煩的量子修正。然而，到目前為止，還沒有發現這種對電弱等級問題的”自然”解決方案的證據。

進入”自然性的奇特方法”，它藉鑑了廣義對稱、紫外/紅外混合、弱引力猜想和”神奇的零”等概念，試圖解釋希格斯玻色子的質量，以及物理學中其他不自然的數字。如果這些語言是深奧的，那是因為二月研討會的參與者被鼓勵挑戰常規，在知識的邊緣播下思想的種子–包括那些完全拒絕自然性概念的思想。後者將是對過去成功的根本性突破。畢竟，希格斯玻色子的質量並不是自然界中唯一看似不自然的數字：例如，物理學家曾經對電子的電能在短距離內不會無限增長感到困惑，但隨著電子有一個反物質夥伴–正電子的發現，這個謎團消失了，它抵消了非物理的分歧。希格斯玻色子的非自然質量甚至可能與宇宙學常數的超小但非零的數值有關，而宇宙學常數是宇宙加速膨脹的原因。

歐洲核子研究中心（CERN）的蒂姆-科恩（Tim Cohen）說：”這次研討會為我們提供了一個奇妙的論壇，使我們能夠從新的角度來看待自然性問題，包括各種物理系統和具體的粒子物理學，研討會的共同組織者，我們的社區幾十年來一直在思考希格斯的自然性問題，然而我們中的許多人懷疑，我們還沒有找到正確的想法。如果最終能夠理解自然界是如何解決電弱層次問題的，就很有可能學到一些東西，改變我們對基礎物理學的看法，以及自我們學科開始以來一直為我們服務的還原論哲學。”

雖然理論家們讓他們的想像力自由馳騁，但歐洲核子研究中心研討會的結論很明確：未來的道路將由數據來指導。未來幾年，ATLAS和CMS將收集更多的希格斯玻色子樣本–以及在LHC之後提議的專用”希格斯工廠”進行的實驗–將使物理學家能夠研究希格斯玻色子與自身的獨特互動。這將提供有關布魯特-英格拉特-希格斯場的精確形狀和形式以及電弱相變的性質的信息，並可能告訴我們希格斯玻色子是自然的還是對我們的存在進行了奇怪的微調。