我們發現了“上帝粒子”

我要說的是我們這群發現希格斯粒子的小伙伴們的故事。故事中有驚喜有磨難。我很慶幸在這個故事里，我能和這樣一群聰明、樂觀、謙遜、嚴謹和堅持夢想的高能粒子物理學家們一起為人類知識的進步貢獻出力量。

2004-09-05

我的第一個小伙伴

今天是我在加州生活的第二天。

比起炎熱，更讓我不習慣的是要對導師直呼其名。

我的博士生導師，漢森（Hanson）博士，一個美國土生土長的老太太。金色短發，笑容和藹，一口快得讓國際學生一時半會反應不過來的英語，還有標志性的長裙（后來我才發現她一年四季都是長裙）。

直呼其名，這對一個害羞的中國學生來說很別扭，我這樣解釋。漢森對這個解釋不是很滿意，可是也勉強同意了我稱呼她為漢森博士。她說，“遲早有一天我會叫你劉博士，讓你也不好意思”。

在粒子物理課上，漢森會講解一些高能粒子物理歷史上的著名物理發現。在那篇發現J/psi粒子獲得1976年諾貝爾獎的文章上，我們發現了一個熟悉的名字。我很好奇地問她說，漢森博士，當年你們組發現J/psi粒子獲得諾貝爾獎，這個很好玩吧？

她說，發現的過程確實很激動。你知道，博士生和博士后們的日常采集和分析數據過程常常很無聊，但是那天下午忽然在這個能量頻譜上發現了這個異常顯著的峰值，并且得到了明顯的衰變事件，整個組都激動壞了。在冷靜地確認和統計檢測后，大家趕在下午計算好數據，連夜寫好了文章投出去，第二天早上編輯校正之后就發表了。

看著我們這些激動得兩眼放光的小朋友們，她又說，我們CMS實驗可能很快就有新的物理發現，就是希格斯粒子，到時候我們發現了，就再得一個諾貝爾獎？

我和小伙伴們都笑了。那一年，距離彼得·希格斯教授提出這個理論已過去四十年，無數人前赴后繼地努力嘗試去驗證它，尋找希格斯粒子的對撞機和探測器還在一步一步測試和建造。面對這個八字都沒一撇的諾貝爾獎高興得是不是太早了。漢森也笑了。她說，為什么不可能呢？

正如誰又能料到，這個美國老太太的愛好之一是開跑車呢。漢森尤其喜歡她自己的那輛99年款的謳歌手動變速跑車。我第一次見識她的這輛靈巧的Integra GS-R的時候，是她帶著我輕松穿梭于加州60號公路上去南加州大學看橄欖球比賽。那天是南加大對伯克利，我們都穿著象征著南加大特洛伊精神的大紅色，隨著大片熱鬧的紅色人群一起跟著樂隊吃著燒烤喝著汽水，然后在觀眾席上互相問對方，這球是怎么踢的你看懂了么？

2005-07-03

費米實驗室

有一天漢森和我說，芝加哥的費米國家實驗室里面也有一群鉆研計算軟件的科學家，你去和他們一起玩吧。這樣我認識了我的新的小伙伴，凱文（Kevin）和奧利弗（Oliver）。

費米國家實驗室坐落在一大片平地，上面都是低矮的小樓，僅有一座人字形的高層建筑叫做Wilson Hall。

第一次載我的班車司機老大爺是個話嘮，他告訴我說，“年輕人，我們都管那棟樓叫High Rise，這樣顯得你是實驗室里面的熟人，利昂（Leon）你說對吧？”順著他的目光，一個銀發帥氣的老者微微一笑。

這位老者就是利昂·萊德曼（Leon Lederman），1988年諾貝爾物理學獎獲得者。順便提個小故事：希格斯粒子本來的昵稱不叫“上帝粒子”（God Particle），利昂在他的書里管它叫“Goddamn Particle”，意思是“我們都找了你這么半天你怎么還不出現真討厭”。后來在編輯一再要求下才改成現在大家看到的樣子，它本身和上帝一點關系都沒有。

我每天準時到High Rise報到，順便蹭一杯LHC物理中心（LPC）的espresso咖啡?？Х葯C旁邊就是能俯瞰整個費米實驗室Tevetron加速器的落地窗。在空閑的時候大家都站在那里按下按鈕煮上小小的一杯，在紙杯里留下幾塊錢，然后站在窗邊聊一些或是研究進展或是一些理論學家的八卦。如果天氣好的話，窗外會有一只金色的鷹飛快地從藍色的天空上掠過。

我在LPC的主要工作是跟著凱文和奧利弗學寫我們用的數據分析軟件。凱文是項目領頭人，而奧利弗公認是物理學家中程序寫得最好的。在他們的指導下，我很快就熟悉起來軟件，于是我就幫計算了一批重構數據，然后興沖沖地去準備我的第一個匯報結果了。

“這些數據證明了什么呢？” 凱文問。

“我應該只是負責計算數據，不需要知道它們需要證明什么了吧?！?我有點懵。

“我們要知道為什么需要這些結果，它能證明我們的什么假設。我們不需要計算數據的機器人，一個真正的物理學家需要時刻知道自己要證明什么。” 凱文悠悠說道。

這是我博士研究生學到的重要一課。

High Rise的11層有一個倒計時的電子牌，上面記錄著距離2007年7月1日還有多少天。這一天是LHC計劃的粒子束對撞的日子，這一天意味著新數據的到來，以及之后的諸多科學發現。我們今天的所有準備工作，都是為了這一天。隨著倒計時數字越來越小，實驗工作越來越忙了。

2007-07-01

困難接踵而至

事實證明我多慮了。由于種種的技術原因，LHC的粒子對撞按計劃推遲一年?；诎踩紤]，它將用一個很低的能量進行初始測試。這意味著，如果要發現希格斯粒子得至少再多等一年半。

這次推遲在幾個月之前大家就預料到。追蹤探測器的外部條狀硅片測試結果總是不滿意，那家負責制造的意大利廠商干脆就撂挑子說問題太難了干不了了。中央的像素硅片的問題更加麻煩，還有各種運輸、安裝、連接和冷卻系統的種種問題。我們博士生們內心難免有些擔心自己的畢業問題，我們是不是真能對撞成功？

這一天我問漢森，這次延后會不會對希格斯粒子的發現有什么不好的影響？她很淡定地說，小朋友，研究就是這樣，特別是做實驗物理，我們總是有各種各樣的困難。

“來，給你說個故事吧，在1990年代初，物理學界也曾經有過尋找希格斯粒子的熱潮，物理學家們全速開動，想在德克薩斯建立超級對撞機（SSC）來尋找希格斯粒子。SSC的設計能量遠高于現在CERN的大型強子對撞機（LHC），大家都對它抱有很高的期望?？墒枪こ探ㄔO到一半，美國國會的科研資金突然中斷，這個計劃被迫停止?？茖W研究就是這樣，至少我們只是推遲了，不是嗎？”

“那么，在德克薩斯的坑都挖好了怎么辦？”我問道。

“哦，后來是一個去了華爾街的高能物理博士生掏了幾百萬給填了唄?！?漢森輕描淡寫。

我和小伙伴們都驚呆了！

2007-12-02

又一個幼稚的問題

“我們能發現希格斯粒子么？” 這是我第1559次問漢森這個問題。這樣的場景對我們來說已如武俠小說中小沙彌無數次地問師傅什么是禪一樣司空見慣。

“如果它存在于理論允許的誤差范圍內，我們在大型強子對撞機的能量范圍很可能發現它?！?漢森安慰說。

“那么，如果它事實上就是不存在，我們不是這幾億都白花了么？”

“那唯一的損失可能是希格斯教授沒有諾貝爾獎以及霍金教授能贏100塊。如果確定這個粒子不存在，也是很有價值的，這樣我們能劃出一定限定區域，理論物理學家可以根據我們的限制條件來改善他們的模型。我們的結果還是會有很重要的意義。”漢森細心地解釋說。

“我們還有幾千個理論學家和他們的一堆超越標準模型可以挨個證實呢，不要擔心沒有得玩?！彼a充道。

“我覺得還是能找到希格斯的，因為霍金賭過的基本上都輸了?！?我說。

2008-06-20

離去

吉恩（Jean）是我從未謀面的小伙伴。最后一次看到他的名字是在今天的CMS的群組郵件里，郵件的內容是他因癌癥去世。

2006年，我想到了一個用編程算法來解決在硅探測器里光子數損失的辦法。實現這個算法需要不少努力，雖然凱文和奧利弗在這個問題都給了不少幫助，但還不夠。

有一天偶然看到康乃爾大學研究組的報告中提到了一個類似的方法，我就給方法的提出者吉恩發了封郵件，問了一些細節問題。他很快回了信，耐心講解了他方法的每一個細節。在接下來的幾個月里，我們交換了很多意見和測試結果，工作有了很快的進展。

后來吉恩回信的間隔越來越長，我以為他的研究興趣轉向了別的更有趣的課題。換個新課題這很常見，我并沒有在意什么，我給他的回信隨之也越來越慢，直到收到了這封群組郵件。信上說，“……吉恩最近一年多都在堅強地和癌癥抗爭，我們懷念他帶給我們的敏銳思考和精準判斷力?！?/p>

現代科學實驗越來越復雜，像CMS實驗這樣從設計到第一次對撞之間二三十年籌備期已經越來越平常。很多實驗人員十幾年甚至二三十年的青春都投入在這個實驗上，我們已經不可避免地看到作者列表上出現“Deceased（過世）”字樣。比如吉恩，比如我們的前系主任本杰明·沈教授，比如那些我們見過，聊過，或從未謀面后來卻離開了的小伙伴。他們在和我們一起追尋理想的路上領跑，為我們掃平了障礙，糾正了路標，點亮了前方的路燈，所以我們應該更好地前進，不是嗎？

2008-09-19

緊巴巴的日子

一年的時間慢慢地走過。其間我們更換了硅器件的測試廠家。從意大利人手里接過這個難題的日本人用了日本傳統的解決方法，用持續一年的每天24小時不間斷測試終于讓硅片的測試結果趨于滿意。對撞機和探測器的安裝也一步一步完成，我的重構算法也在多項測試數據上表現越來越好。這似乎漸漸走向順利，我們需要的就是等待LHC的粒子對撞了。

這天夜里，LHC控制室傳來消息，LHC的一個電磁連接器在高負荷運轉中燒毀。如果要修復這個問題，得把已經冷卻的整個27公里長的LHC地下管道全部清空，修復安裝時間約耗時一年。

第二天早上，我問漢森，我們還有希望發現希格斯粒子么？她說，再等等吧。

美國政府在2008年經濟衰退中縮緊了科研資金的投入，本以為LHC的啟動可以幫助刺激一下資金的申請，現在美國國家自然科學基金和能源部的基金申請都很困難。

在日內瓦這個出去吃頓好點的都得30瑞士法郎的地方，本來日子就過得緊巴巴的研究生博士后小伙伴們的日子更要數著過了。歐元也跟著起哄暴跌，這讓日內瓦的公交系統也支撐不住了。平時去日內瓦市里只要折合3瑞郎，現在小伙伴們都得多從錢包里摳出來好幾毛錢。

那段時間，“歐元-瑞郎-美元-人民幣”的匯率是小伙伴們更關心的數據，能存瑞郎就別存歐元。我們互相開玩笑說，不如拿我們省的幾百美元炒個匯率賺個公交車錢得了。

事實上，其他的大學同學們早就工作掙上了很多錢了，我們也早就習慣于無視他們在facebook上貼新買的寶馬奔馳之類的照片。我們平時都表現出一副“錢還夠用毋需太多”的清高科學家的樣子，但在這個無法預見未來的資金的情況下，我們這些還沒畢業的小伙伴也在聊著說，你看我們又能編程又會數學，去干點什么不能掙錢啊。

有很多認識的小伙伴因為研究組的資金問題不得不退出了實驗，很多都去了硅谷和華爾街，我們數著他們一個一個離開，自己回去在辦公桌抽屜里翻出了幾個硬幣，欣喜地揣好在錢包里去坐公交車，心想，科學家的事，能算摳么？

今年冬天CERN早早地放假，我和ATLAS實驗組的小伙伴們圍在爐子邊吃著國內帶來的火鍋玩著紙牌，屋外風雪很大。小伙伴們談論著今年招博士后的情況，可申請的職位很少，職位的競爭很激烈，就連去華爾街當礦工這條路也隨著金融巨頭一個一個倒下而變得希望渺茫?！斑@是一個地主家也沒有余糧的時候啊?！?（礦工：意為華爾街的數量分析師，他們多是數理背景的博士，因為與“quant”諧音，被戲稱為礦工。）

2009-12-10

數據，數據！

LHC修復后第一次在900GeV能量下的對撞和數據采集都很成功。這是LHC的在多次推遲和事故之后終于第一次獲得粒子對撞數據！我的重構算法在第一批實際數據上成功找到1019個事件。

之后的某天，漢森很高興地跑來告訴我，“看到了么，你的結果在CMS的內部通告上被提到了，評價是‘應該是很可靠的結果’。大家都知道你的貢獻了。”

這是我的工作第一次得到實驗組的公開認可。看來今年的冬天應該沒有那么早放假，小伙伴們都忙碌起來了。我們的第一次火鍋聚餐居然拖到了圣誕節之前。

2010-12-02

暴風雪中的生日

今天我28歲了?，F在外面下著大雪，我得在早晨7點之前趕到在法國Cessy的CMS的中央控制室接班輪值，監控對撞和數據采集的工作。今天可能有粒子注入和對撞的實驗安排。

除了寫程序、分析數據、寫論文，在控制室輪班也是我們小伙伴們重要日常工作之一。每個參與實驗的大學都要完成一定的控制室輪班的配額，我們要做的就是監測探測器和數據采集器每部分的狀態，在出現問題的時候能及時解決或者打電話匯報給相關技術人員。如果輪值的時候能趕上LHC的粒子注入和對撞，控制室的博士研究生們都會很激動，看著屏幕上顯示的粒子準直、加速、對撞，仿佛看到離發現希格斯粒子和博士畢業又近了一步。

我和意大利小伙伴斯蒂法諾（Stefano）負責這兩周的硅探測器部分的監控和數據采集。斯蒂法諾是個典型的米蘭出生的意大利北部人：禿頂、對工作一絲不茍，以及討厭法國男子足球隊。

我和他認識是在那年的世界杯法國隊被淘汰的時候，他在用意大利語高聲歡送法國之余不忘記安慰我說，中國隊也是有機會進入世界杯的。

斯蒂法諾對數據有天生的敏感，他總是能依靠直覺神奇地看出來數據采集質量的問題。我剛到控制室學習這些監測工作的時候，就是跟著學他每天的工作。這是我們實驗組的一貫規矩：沒有老師，新來的人跟著一起工作就學會了。他可以盯著四個監控屏幕的滾動數據很久，然后飛快地做上標示，讓人覺得他更像是個資深股民。

我曾經問過他，你怎么能一下就能看出來哪個問題的原因？他無不自豪地說，我們意大利人的工作方式就是認真。今天他在我之前一輪夜班中記錄下了可能出現問題的幾個頻道，交給我說，白天可能有粒子注入和對撞的數據采集工作，重點看一下這幾個地方。然后，他拿了我帶來的羊角面包當早飯，準備回家睡覺。

“法國人就老老實實做好面包得了，踢什么球呢？”斯蒂法諾拍拍手上的面包屑，扛上鐵鍬去停車場挖他的車，因為外面的大雪把每輛車都包成了一個白色大饅頭。我們小伙伴們吃著面包喝著咖啡，看著斯蒂法諾在雪中挖車。

外面的雪實在是太大了，剛剛挖出來一角，就很快又被大雪鋪上一層，不過意大利人的堅韌性格終于在兩小時之后獲得了回報，一輛白色的車終于被挖出來了。

之后斯蒂法諾哭喪著臉回到控制室，略帶哭腔地說到：“我挖錯車了！”

我很佩服意大利人的認真，并真誠建議，不要都買白色的車。

2011-04-21

虛驚一場

這天夜里，我的信箱中突然跳出了漢森的一封信。她極少在半夜會給學生寫信。在信中，她措辭有些著急地問我說，知不知道ATLAS實驗剛剛泄露一篇論文，維斯康辛大學的研究組宣稱他們在115GeV能量頻譜附近觀測到一個類似于希格斯粒子的能量峰值。

我打開facebook，所有的小伙伴們都在談論這個疑似希格斯粒子的發現。通過一些朋友同事的打聽，差不多知道了：維斯康辛大學參與的一個ATLAS的實驗組觀測到一個在115GeV附近的有4個sigma標準差的峰值，沒有達到可稱為發現的5個sigma標準差。我們發現這個結果從統計數據和能量分布等方面都有很多可疑之處。并且，在CERN的科學實驗過程中，任何公開發表的結果必須通過CERN選定的審閱組和整個實驗組的審閱這兩道審閱程序。這樣在審閱之前擅自泄漏結果絕對違反了CERN關于嚴謹科學研究的要求。

不只是我們，整個CMS實驗組和ATLAS實驗組都對這個類似希格斯粒子的結果抓狂了起來，如果這個發現是真的，很多之前工作結果都會被改變。在希格斯實驗組幾乎所有的小伙伴在接下來的一段時間都沒有任何休息時間，我們的幾萬個CPU的網格計算服務器全負荷運算，試圖重復這個可疑的115GeV的粒子能量峰。

經過幾天的計算和激烈的討論，我們發現這個疑似希格斯粒子并不能重復發現，在新的數據中這個能量峰消失了。CERN撤銷了這個橙色警報，并且重申了關于嚴謹科學研究的要求，絕不允許類似的事件再次發生。

小伙伴們都松了一口氣，扭頭回去把幾天的覺補上。

我曾向漢森抱怨過，這樣的假警報太浪費時間了。她說，我們可以為一個重要發現連夜計算，但是我們一定要做冷靜和清醒的研究者。如果太想去為了爭奪所謂的什么獎而匆忙地給出一個錯誤的結果，這只能是浪費大家的時間，這對人類的貢獻為零。畢竟愚人節已經過了20天了。

歷史上的LEP的實驗也有過類似這個115GeV的警報。這就是后來實驗高能物理里的關于“115GeV”這個魔法值的傳說。

2012-01

如常的繁忙

今天早晨的希格斯雙光子衰變的討論會又是4個小時。其中共有進度報告6個，平均每個15分鐘；伴隨辯論7次，平均每次15分鐘。隨后我把我的計算作業提交到網格系統上，這估計又得算個一整天吧。

利用等待計算的時間，我把CERN評審組給我們另一篇論文提的幾十個問題挨個答復，這些問題其中還包含了“把箭頭換成綠色的印刷效果可能比較好”之類的。下午還得給新加入我們組的師弟講解一下程序的流程。這就是那段時間每天的工作。

加州的天氣一直晴朗。有一個年長一些的小伙伴在找他的下一輪博士后職位，正好來附近的學校面試和講述學術報告。我們決定奢侈一把，和其他小伙伴一起點了幾磅大蝦和鮮辣的帝王蟹腿，伴著加州的日落 ，坐在長灘的海邊。

“如果今年的數據能湊到5個sigma，然后我們能找到希格斯，那我們找博士后的工作能稍微容易點吧?！碑敃r正在忙于找博士后職位的我不放棄任何機會來討教。

“希望如此吧，找不找得到還不一定呢，再加把勁吧?！?學長拿著紙巾擦擦都是辣醬的手指，唏噓道。

“我說的是找博士后，不是找希格斯啊?！蔽野汛笪r的頭對著他糾正道。

“我說的也是找博士后啊?！?/p>

太陽慢慢地在海那邊的云層后消失，沙灘上的顏色由金黃色變成藍色，只有旁邊墨西哥人一家孩子們還圍著篝火打鬧。海邊的溫度越來越低，今年的博士后職位和教授職位也越來越少。

2012-07-04

全世界都在看我們的發現

CMS實驗組的發言人喬伊（Joe）是漢森的多年同事，我和喬伊在硅探測器組也合作過一段時間，他是我的小伙伴們中不多的符合“高富帥”三字標準的帥老頭。今天他打扮得異常帥氣出現在CERN的新聞發布會上，我們都知道今天他和ATLAS的發言人會帶給大家一個大新聞，我們也知道喬伊最近的幾周忙到每天根本沒有多少時間睡覺，因為在發布會的前幾天爭論還在持續。

在過去的半年里，希格斯雙光子衰變的討論會越來越長。隨著數據量的積累以及數據分析工作越來越明晰，我們也越來越確認我們的觀測結果，我們也確信要公布這個已經達到5個sigma統計偏差的重要發現。

可是，我們不能宣稱我們發現了希格斯粒子。因為在物理事實上，我們并沒有觀測到希格斯粒子，我們只是觀測到了一個各方面看起來都很像希格斯粒子的“那么一個東西”。

2012年7月4日，世界如往常一樣平靜，而處在新聞發布會之前的CERN卻進行著幾乎是我看到過的最激烈的討論。

對于即將發布的結果，有人說，我們都知道它就是希格斯粒子??；有人說，沒有測量它的自旋值等其他屬性，我們不可以說它就是希格斯粒子啊，我們現在只有5個sigma的統計偏差，不能太過于冒險。

爭論一直持續到發布會之前的一天。經過了幾千封email和評審委員會的激烈討論，CMS實驗組和ATLAS實驗組協商決定嚴謹得稱這個粒子為“似希格斯粒子（Higgs-like particle）”。這一結果，且不用說學術圈外的普通人，連我那位差點拿到物理學博士的未婚妻都弄不清楚究竟意味著什么，直到一年后隨著2013年10月8日諾貝爾物理學獎的公布才走進公眾視野。

這篇論文在之后的一年內達到了1500次以上的引用。平均每天都增加四五次引用，這在學術界極少有論文可以達到這樣水準。

在發布會上，我們看到了希格斯粒子理論提出人之一的彼得·希格斯教授在偷偷地擦眼淚。他對記者說，終于看到這一天了。這一天，當年提出這個理論的六位理論學家只有五位還在世，其中的兩位后來獲得了2013年諾貝爾物理學獎。

這一天，我們給世界帶來了新發現?，F代科學越來越復雜，遠不是牛頓時代那樣單槍匹馬就能有所作為，一個重要的發現背后多是幾千人幾十年的共同努力。我們小伙伴們互相學習，互相糾正，互相支持著我們的夢想， 都為了這一個目標夜以繼日地努力。

多年以后，隨著人類科學的進步，我們今天的這一發現可能只會變成未來厚厚的物理教科書上薄薄的一頁，更不會有人記住我們每一個人的名字?？蛇@就是我和小伙伴們所做的，我很慶幸我能和他們一起為了人類的知識貢獻了這一頁。