希格斯玻色子如何影响弦理论？

密歇根大学物理学家戈登·凯恩提供了以下解释

在过去的几十年中，科学家们已经开发出对我们物理世界的成功且经过充分测试的描述，称为粒子物理学的标准模型。它将强力、弱力和电磁力整合到一个连贯的图景中，并描述了所有相关的实验。但是，有一项测试尚未完成：为了保持一致性，并解释粒子的质量，该理论需要存在一种新的场，称为希格斯场——它类似于熟悉的电磁场，但具有新的属性。正如我们通过探测电磁场的量子（称为光子）来了解电磁场一样，我们希望通过探测希格斯场的量子（称为希格斯玻色子）来了解希格斯场。

如果希格斯玻色子（以英国物理学家彼得·希格斯的名字命名）被发现，它实际上将成为有史以来最重要的实验发现之一，这很大程度上是因为希格斯物理学所起的独特作用。一方面，它完成了标准模型，将对微观物理世界的成功描述联系在一起，科学家们已经寻求理解了几个世纪。这种描述告诉我们物理世界是如何运作的。与此同时，希格斯物理学所采取的形式指出了如何加强和扩展标准模型，不仅描述世界如何运作，还描述它为什么那样运作。希格斯玻色子之所以重要，是因为它是向“为什么”过渡的关键。希格斯玻色子也是一种新型物质，是近一个世纪以来的第一种。

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目前有两项证据表明希格斯玻色子确实存在。第一个是间接的。根据量子场论，所有粒子都会花费少量时间作为所有其他粒子的组合，包括希格斯玻色子。这会稍微改变它们的属性，而我们知道如何计算这些属性，并且这些属性已得到充分验证。对希格斯玻色子对其他粒子影响的研究表明，只有当希格斯玻色子存在且质量小于约 170 吉电子伏特 (GeV)，或约 180 个质子质量时，实验和理论才是一致的。因为这是一个间接结果，所以它不是严格的证明。原则上，几个未知的贡献可能会结合起来模拟希格斯玻色子的出现。然而，这是非常不可能的。关于希格斯玻色子的更具体证据来自欧洲粒子物理实验室 (CERN) 在大型电子正电子 (LEP) 对撞机最后运行期间进行的一项实验。该研究揭示了希格斯玻色子的可能直接信号，其质量约为 115 GeV，并具有所有预期的属性。总之，这些构成了一个非常有说服力的——尽管尚未最终确定——希格斯玻色子确实存在的案例。

现在，假设希格斯玻色子确实已被发现，让我们转向创建更基本的粒子物理学理论的意义。我将把这个基本理论称为弦理论，而不区分各种形式。弦理论是在 10 维中提出的，并且具有我们世界中不存在的其他属性。它没有明确的或可测试的预测或解释，并且它与希格斯玻色子没有直接联系。在发生这种联系之前，我们将必须了解我们的实际世界如何从更高维度的理论中出现，以及强力、弱力和电磁力以及夸克和轻子如何从弦理论中出现。

尽管如此，关于弦理论的已知信息足以表明它与我们的世界存在一些暗示性的联系。最重要的是，弦理论似乎要求我们的世界具有一种称为超对称性的属性。具有弦理论边界条件的超对称标准模型具有希格斯玻色子并解释了它们的属性。虽然希格斯玻色子的质量无法在标准模型中计算出来，但在超对称标准模型中，质量可以近似计算为 90-40 GeV，这个范围包含了可能的发现值。

因此，发现希格斯玻色子有力地支持了超对称标准模型，而超对称标准模型反过来又支持了弦理论确实是研究自然的正确方法的观点。如果是这样，那么在未来的几年里，很可能在费米国家加速器实验室发现更多关于希格斯玻色子存在的证据，该实验室将于 2001 年 3 月开始收集数据。