通往希格斯粒子之路

2012年6月14日深夜，一群在LHC工作的博士后研究員以及研究生，開始查看一個(gè)剛打開的數(shù)據(jù)快記區(qū)。LHC這座巨大加速器坐落于日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心，幾個(gè)月前，它才從冬天的休眠狀態(tài)蘇醒過來。自那時(shí)起，LHC已經(jīng)產(chǎn)生了極大量的數(shù)據(jù)。但是，LHC最大兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的6000余名物理學(xué)家，卻很怕他們?cè)诜治鰯?shù)據(jù)時(shí)無意間加進(jìn)自己的主觀偏見，因此他們相約在6月中前完全不去探知結(jié)果，也就是執(zhí)行所謂的盲分析，一直要等到6月中，在發(fā)狂挑燈夜戰(zhàn)之后才揭開答案。

眾多年輕科學(xué)家徹夜分析剛開放的數(shù)據(jù)。雖然LHC這個(gè)巨大的對(duì)撞機(jī)“喂養(yǎng)”了很多實(shí)驗(yàn)，但是只有其中兩個(gè)最大的實(shí)驗(yàn)：ATLAS與CMS偵測(cè)器，才擔(dān)負(fù)著尋找希格斯粒子的責(zé)任。這個(gè)大家找尋已久的粒子是量子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中唯一還沒補(bǔ)足的“拼圖片”。質(zhì)子在這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的龐大偵測(cè)器里對(duì)撞，產(chǎn)生的次原子碎片源源噴出，由偵測(cè)器記錄下來。對(duì)于這些碰撞殘余物仔細(xì)且獨(dú)立的分析，可能揭露一閃即過的新現(xiàn)象，其中或許包括那難以捉摸的希格斯粒子。但是偵測(cè)器必須過濾大量的粒子軌跡以及留下的能量，與此同時(shí)，還得忍受低能量背景粒子的不斷沖擊，而有趣的信號(hào)可能會(huì)被這些背景粒子遮蓋掉。這就好像一方面從消防水管喝水，同時(shí)還要用你的牙齒搜出幾粒很小的金子。

幸好，科學(xué)家知道自己要尋找的是什么。在度過LHC啟動(dòng)初期所遇上的災(zāi)難性意外（2008年，在LHC啟動(dòng)9天之后，連接兩個(gè)磁鐵的電路接頭發(fā)熱并熔化了，產(chǎn)生的巨大火花刺穿了附近的容器，因而釋放出幾噸的氦氣，并把幾十個(gè)昂貴的超導(dǎo)磁鐵從支座上扯了下來）之后，對(duì)撞機(jī)在2011年間已經(jīng)搜集了很多數(shù)據(jù)，足以看到希格斯粒子的初步跡象。

在LHC于2011年10月停止運(yùn)轉(zhuǎn)（這是事先計(jì)劃的冬季停機(jī)）之后，ATLAS的發(fā)言人吉亞諾提與當(dāng)時(shí)CMS的發(fā)言人東奈里，于2011年12月中在擠滿了人的歐洲核子研究中心大講堂，一起做了一場(chǎng)特別的學(xué)術(shù)演講。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)都從數(shù)據(jù)中看到了意味著希格斯粒子存在的跡象。

此外，這些希格斯粒子的跡象也相互呼應(yīng)。ATLAS與CMS都看到了兩個(gè)總能量為125GeV（1GeV相當(dāng)于10億電子伏特，是量子物理的質(zhì)量與能量標(biāo)準(zhǔn)單位，大約等于一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量）光子射出的事例，這些事例的次數(shù)比預(yù)期的背景值還多了數(shù)十個(gè)。如果質(zhì)子碰撞產(chǎn)生了壽命很短的希格斯粒子，它們可以衰變成兩個(gè)光子，而這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)也都發(fā)現(xiàn)總能量約為125GeV的四個(gè)帶電荷輕子（電子或緲子）射出的事例數(shù)量比背景值高，它們可能來自希格斯粒子。這種情況前所未見，表示某種真實(shí)的東西要開始從數(shù)據(jù)中浮現(xiàn)。

不過由于量子物理的標(biāo)準(zhǔn)很嚴(yán)，2011年的一切信號(hào)尚未強(qiáng)到足以宣稱“發(fā)現(xiàn)”了希格斯粒子。在過去，類似的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)常后來就消失無蹤，也就是它們只是隨機(jī)的漲落而已。LHC在2012年春季成功運(yùn)轉(zhuǎn)，11個(gè)星期間的質(zhì)子碰撞次數(shù)比2011年一整年還要多。搜集的更多數(shù)據(jù)可以輕易地把2011年看到的跡象抹掉，讓它們淹沒于背景噪聲之中。

當(dāng)然，也可能出現(xiàn)相反的情況。如果之前的跡象的確來自真實(shí)的希格斯粒子，而不僅是殘酷的統(tǒng)計(jì)漲落，則所有的新數(shù)據(jù)將給研究人員提供絕佳的機(jī)會(huì)，得以宣稱正式發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，讓數(shù)十年的搜尋畫下旬點(diǎn)，并開啟了解物質(zhì)與宇宙的全新時(shí)代。

希格斯粒子從來就不是另一個(gè)粒子而已，因?yàn)楝F(xiàn)代量子物理是由一組環(huán)環(huán)相扣的理論構(gòu)成的，稱為標(biāo)準(zhǔn)模型，而希格斯粒子正是標(biāo)準(zhǔn)模型這個(gè)宏偉智性體系的基石。英國(guó)愛丁堡大學(xué)的希格斯在1964年提出有這樣一個(gè)粒子存在，它是一種微妙機(jī)制的必然結(jié)果，這個(gè)機(jī)制賦予基本粒子質(zhì)量；比利時(shí)布魯塞爾大學(xué)的翁勒與布饒?zhí)匾约坝?guó)倫敦皇家學(xué)院的三位研究人員也獨(dú)立提出了這個(gè)機(jī)制：宇宙的每個(gè)角落都充滿了一種難以捉摸、極纖細(xì)的流體（稱為希格斯場(chǎng)），它讓基本粒子帶有各自的質(zhì)量，希格斯粒子便是這種流體的實(shí)體展現(xiàn)。由于人們?cè)?0世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)了夸克與膠子，到了20世紀(jì)80年代初，質(zhì)量很大的、傳遞弱核力的W玻色子與z玻色子也被發(fā)現(xiàn)了，大部分的標(biāo)準(zhǔn)模型便已很精巧地組合起來。

雖然理論學(xué)家宣稱希格斯粒子（或某種很像它的東西）必須存在，卻無法預(yù)測(cè)它的質(zhì)量，再加上其他因素，尋找希格斯粒子的研究人員沒有太多線索可循。早在1984年，人們便以為看到了這樣一個(gè)粒子，因?yàn)樗坪跤幸粋€(gè)質(zhì)量小于9倍質(zhì)子質(zhì)量的粒子，出現(xiàn)在位于德國(guó)漢堡、翻新之后的低能量電子正子對(duì)撞機(jī)。它看似希格斯粒子，但是在進(jìn)一步研究后，這個(gè)初步的可能性便被排除了。

多數(shù)理論學(xué)家同意，希格斯粒子的質(zhì)量應(yīng)該更高上10倍～100倍。如果是這樣，我們就需要一座遠(yuǎn)比費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的正負(fù)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)更大、能量更高的對(duì)撞機(jī)，才足以發(fā)現(xiàn)希格斯粒子。正負(fù)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)是周長(zhǎng)為6000米的質(zhì)子—反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，完成于1983年。同一年，歐洲核子研究中心開始建造花費(fèi)10億美元的大型電子正子對(duì)撞機(jī)，在日內(nèi)瓦附近挖了周長(zhǎng)為27千米的圓形地道，四度跨越法國(guó)與瑞士國(guó)境。雖然大型電子正子對(duì)撞機(jī)有其他重要的物理目標(biāo)，希格斯粒子仍是它最想捕捉的對(duì)象之一……

【大事年表】

科學(xué)家在2012年夏天發(fā)現(xiàn)了類希格斯粒子，代表數(shù)十年的追尋走到了終點(diǎn)。在量子物理標(biāo)準(zhǔn)模型成形之前的幾年，物理學(xué)家體認(rèn)到他們無法解釋粒子為何應(yīng)該帶有質(zhì)量。一連串的理論引導(dǎo)出一個(gè)想法：一種新的場(chǎng)（現(xiàn)稱為希格斯場(chǎng)）能夠讓粒子慢下來并賦予它們慣性。這個(gè)場(chǎng)應(yīng)該有個(gè)隨附的粒子，所以物理學(xué)家便開始了對(duì)希格斯粒子的追尋。

1964年8月：論文出爐

有三篇論文提出一種機(jī)制以及一種粒子，后來以希格斯為名。翁勒與布饒?zhí)匕l(fā)表了三篇論文中的第一篇。希格斯的論文為第二篇，發(fā)表于兩周之后。古拉尼克、哈根與奇波于同年11月發(fā)表了第三篇論文。

1979年8月：發(fā)現(xiàn)膠子

科學(xué)家首先在德國(guó)電子同步加速器中觀察到膠子，亦即負(fù)責(zé)核力的粒子。根據(jù)理論學(xué)家的計(jì)算，膠子的融合會(huì)比任何其他過程產(chǎn)生更多的希格斯粒子。

1983年1月：發(fā)現(xiàn)W玻色子

當(dāng)歐洲核子研究中心的超級(jí)質(zhì)子同步加速器首次發(fā)現(xiàn)w玻色子后，科學(xué)家便找到了標(biāo)準(zhǔn)模型最后欠缺的拼圖之一。

1989年7月：新對(duì)撞機(jī)啟動(dòng)

為了追尋更遠(yuǎn)大的目標(biāo)，歐洲核子研究中心在27千米長(zhǎng)的環(huán)形地道里建造的大型電子正子對(duì)撞機(jī)開始啟動(dòng)。

2000年9月：尋找希格斯粒子的最后沖刺

正當(dāng)大型電子正子對(duì)撞機(jī)依預(yù)定計(jì)劃要永久關(guān)閉時(shí)，科學(xué)家偵測(cè)到了希格斯粒子的跡象。管理當(dāng)局便允許大型電子正子對(duì)撞機(jī)多運(yùn)轉(zhuǎn)6個(gè)星期，并把碰撞能量推高到超過機(jī)器的設(shè)計(jì)值，但終究一無所獲。現(xiàn)在我們知道，那個(gè)微弱的跡象并非希格斯粒子，因?yàn)橘|(zhì)量不符。

2000年11月2日：一個(gè)時(shí)代的結(jié)束

歐洲核子研究中心關(guān)閉了大型電子正子對(duì)撞機(jī)，以便開始建造LHC，它最終找到了希格斯粒子。

2008年9月10日：一切妥當(dāng)

剛建成的LHC完成了首次質(zhì)子束繞行。

2008年9月19日：災(zāi)難來臨

連接兩個(gè)磁鐵的電路接頭發(fā)熱并熔化，巨大的火花刺穿了磁鐵的容器，釋放出幾噸的氦氣，超過50個(gè)超導(dǎo)磁鐵因而被從支座上扯了下來，或者說被毀掉了。

2012年7月4日：發(fā)現(xiàn)類希格斯粒子

歐洲核子研究中心的科學(xué)家宣布，他們?cè)?25GeV處發(fā)現(xiàn)了一個(gè)類希格斯粒子。