質量是什麼？

剛看到這個問題，你可能會有點懵。在宇宙中，所有的天體都在引力的約束下運行，而引力從本質上來講又是來自于質量。因此，從這個角度來講，是質量在統治着宇宙中天體的運行。

然而問題在于：物質為什麼會有質量？你可能已經把二者之間的關聯想得理所當然，但我們到底有什麼理由說物質就必然有質量呢？況且，光子是沒有質量的，這又如何解釋呢？

1964年，英國科學家彼得·希格斯提出了希格斯場的概念，認為這個分布在宇宙各個角落的場可以激發出一種叫做希格斯玻色子（上帝粒子）的粒子，這種粒子通過與物質的相互作用，使得物質獲得了質量。

希格斯場的概念在提出之後受到了廣泛的關注和認可，2013年的時候，希格斯也因此獲得了諾貝爾物理學獎。

和其他一些粒子一樣，希格斯玻色子也會衰變。根據現在的物理學标準模型，科學家們知道希格斯玻色子的衰變有許多種可能的結果，通常來說，它會衰變出兩個比較輕的粒子，比如光子。除此之外，科學家們還能計算出希格斯玻色子不同衰變模式發生的概率，這種概率被稱為分支比。

最近，物理學家們通過位于日内瓦下方的歐洲大型強子對撞機上ATLAS和CMS兩大設備，發現了一種罕見的希格斯玻色子衰變模式。在這種衰變過程中，希格斯玻色子會衰變出一個光子和兩個輕子。所謂的輕子，也是物理學上的一種基本粒子，圍繞在原子核周圍的電子就是輕子的一種。

（圖片說明：埋藏在地下的歐洲大型強子對撞機是當今世界最強大的粒子對撞機）

科學家們發現，在這種衰變模式下，希格斯玻色子會衰變出一個光子和兩個電子，或者一個光子和兩個電荷相反的μ子（另一種帶電的輕子）。

科學家們詳細地描述了其中的原理：我們知道，希格斯玻色子的壽命不長，會發生衰變。在這次發現的衰變模式中，希格斯玻色子會首先衰變出一個光子和一個被稱為離殼光子的一種“虛拟光子”。

大型強子對撞機ATLAS實驗的粒子物理學家James Beacham向我們介紹：這種所謂的離殼光子質量極小，但不是0，這和完全沒有質量的普通光子是不一樣的。接下來，這個離殼光子會馬上變成其他産物，就比如兩個輕子。

Beacham繼續介紹：在大型強子對撞機上，技術人員安裝了一種名叫量熱計的設備。所謂的量熱計，是一種可以阻止來自于粒子碰撞所産生的粒子的設備。當粒子對撞過程中的産物遇到量熱計時，它們就會被攔截或者吸收，同時量熱計會有提示，從而幫助科學家們對這些粒子進行研究。

實際上，就像我們上面說的，這一次觀測到的希格斯玻色子衰變模式，是在标準模型裡有所預測的，但這一次研究是科學家們首次發現到這種衰變模式的暗示證據，因此這就顯得十分重要了。

所以，如果你足夠仔細，會發現本文的用詞還是比較謹慎的。比如對這種衰變模式，本次實驗是觀測而不是發現。還有一點，那就是它是個“暗示證據”，而不是直接證據。

（圖片說明：觀測到這種罕見衰變的原理示意圖）

Beacham也明确表示：研究團隊目前還不太可能直接觀察到這種罕見的衰變模式，這是目前的技術限制的。随着未來大型強子對撞機的升級，我們在未來會有這樣的機會。

從2008年9月首次運行開始，大型強子對撞機一共經曆了兩次運行。本次發現來源于2015年到2018年期間的第二次運行，而第三次運行将在2022年3月開始。目前，它正在經曆升級過程，科學家們正在将它打造成為高亮度大型強子對撞機。通過将亮度提高5-10倍，科學家們将有機會直接觀察到希格斯玻色子衰變為一個光子和兩個輕子的罕見衰變模式。

ATLAS也自信地宣布：“高亮度大型強子對撞機有望能夠獲得大量的數據，這也會使得我們對于希格斯玻色子的這種罕見衰變的研究更加尋常。”

雖然标準模型預測了這些衰變的可能，但通過對這些粒子衰變的研究，科學家們能夠發現一些超出了标準模型的物理學可能性。

Beacham指出：标準模型的确可以解釋了很多宇宙中的物理學機制，但還有一些是它也無法觸及的，比如引力和暗物質。

雖然愛因斯坦的廣義相對論讓我們對引力有了新的認識，但是引力的根源機制仍然有許多的未知需要科學家去破解。另一方面，暗物質也是一種非常神秘的機制，它占據了宇宙總質量的85左右，和可見物質之間僅僅有引力方面的相互作用，其他方面幾乎井水不犯河水，因此直到今天我們也很難去探測它，不知道它的本質到底是什麼。

因此，多年以來，科學家們一直在嘗試尋找超出标準模型的物理學機制，他們稱之為從我們這個世界通往暗物質世界的“大門”。而希格斯玻色子，就是可能打開這個大門的一把鑰匙。如果真的能夠破解其中的秘密，那麼我們對于這個宇宙的本質将會有更加深刻的了解，其中自然包括暗物質這種宇宙終極謎題。

在最後，Beacham還指出：目前來說，我們還不能着急去感到興奮，因為這次研究并沒有直接給我們提供進入到這個大門另一側世界的信息。它隻是給我們指明了一個方向，告訴我們可以去嘗試尋找這樣罕見的物理現象，并且提供了可能的方法。但不管怎麼說，這一次的研究對于物理學發展和我們對于宇宙的了解，都具有重要的意義。

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