尋找希格斯粒子

粲先生

我們的世界是由什么構成的？

這是一個從文明誕生之初就一直伴隨著人類的問題。隨著現代科學的發展，直到最近兩個世紀，這個問題才逐漸有了準確的答案。

19世紀的化學家發現，世界萬物都由幾十種不同的化學元素組合而成。到了20世紀30年代，物理學家進一步發現，每一種化學元素都由原子組成;而每一個原子都包含了一個位于原子中心的原子核和若干個核外的帶負電的電子;每一個原子核則由不同數目的帶正電的質子以及電中性（正負電荷平衡）的中子構成。在原子中，質子與中子的質量占據了原子質量的絕大部分。而質子與中子的質量非常之小，小到什么程度呢？每1克物質，都包含了將近1億億億個質子或中子。

雖然質子與中子如此之小，但它們仍然不是人類微觀探索之旅的終點。20世紀六七十年代，科學界逐漸意識到，質子與中子仍然有內部結構。每一個質子或者中子都是由3個更小的次級結構組成的。預言這種次級結構的美國物理學家、1969年諾貝爾物理學獎得主莫里·蓋爾曼（ 19292019）有著一種科學“宅男”獨有的幽默，他模仿鴨子的叫聲，將這種結構命名為“夸克”。

而在質子與中子中，夸克之間的相互作用力則是由另外8種不同的粒子所傳遞的。這8種傳遞夸克間作用的粒子統稱為“膠子”。就像它的名字所暗示的那樣，膠子可以將質子或中子里的3個夸克“黏”在一起。

在質子與中子中，夸克所占的質量大約只有總質量的1%，其余99%的質量都來自在夸克間飛來飛去的膠子的能量。在微觀、高速的世界里，質量已經不再是物質的基本屬性，能量正在通過某種“交易”機制成為質量。

那么，物質最初的質量是從哪里來的呢？在20世紀五六十年代蓬勃發展的粒子物理的理論模型中，質量的起源一直是最棘手的問題。這一時期的理論認為，量子場所激發出的粒子應該是沒有質量的。沒有質量的粒子應該像光子一樣，永遠以光速傳播，并且可以傳播向無限遠，然而在現實中，科學家從未觀測到這樣的粒子，這就與這一時期的理論相矛盾。

直到1964年，比利時理論物理學家、201 3年諾貝爾物理學獎得主弗朗索瓦·恩格勒（1932）和比利時理論物理學家羅伯特·布繞特（ 1928-2011），以及英國物理學家、2013年諾貝爾物理學獎得主彼得·希格斯（1929）分別發表了2篇文章，指出假設存在一個無處不在的場（后被稱為“希格斯場”），那么，在希格斯場中前行的其他粒子，就像在泥沼中跋涉、腿腳變得沉重的旅人，會在與希格斯場的相互作用中獲得質量，這一機制被稱為“希格斯機制”。

希格斯機制賦予了世間萬物質量，而希格斯粒子就像是希格斯場自身的漣漪，能證明希格斯機制的存在。

希格斯機制在提出之初并沒有馬上贏得物理學界的信任。直到3年之后，美國物理學家、1979年諾貝爾物理學獎得主史蒂芬·溫伯格等人在開始嘗試搭建粒子物理的標準模型時，才意識到希格斯機制在標準模型中的重要性。從此，粒子物理學界開始了長達近半個世紀的對希格斯粒子的狩獵。

01希格斯粒子現形

目前，粒子物理學家尋找新粒子的終極武器就是對撞機。

科學家將粒子加速，給它們極高的運動能量，然后讓兩束相向運動的粒子瞄準一個點對撞，在撞擊的一瞬間，粒子的動能就能全部釋放出來。這一瞬間，一部分能量就能通過與質量的“交易”機制轉換成質量。而新的粒子，就有可能在這個過程中被創造出來。

在20世紀的最后10年，歐洲和美國其實各自運行著一臺曾被寄予厚望尋找希格斯粒子的對撞機。然而十分遺憾，因能量仍不夠高，以及收集到的數據內容過于復雜等原因，這兩臺曾在粒子物理的其他領域發揮過重要作用的對撞機，最終都未能找到希格斯粒子。

但其實早在1986年，美國的粒子物理學家就完成了對另一臺更加宏偉的對撞機的設計，它就是周長達到80多千米的超導超級對撞機（ Superconducting Super Collider，簡寫為SSC）。1990年，它在美國得克薩斯州破土動工，到了1993年，已經有上千名物理學家和工程師在SSC的建設過程中集結。可是命途多舛的SSC在經歷了臨陣改變設計，以及冷戰對抗結束、總統換屆、國際空間站項目競爭等內外變故之后，其建設之路變得愈發坎坷，并最終于1993年年底被美國國會叫停。美國科學家在尋找希格斯粒子的道路上

發現希格斯粒子的示意圖。在巨大的背景干擾信號中，位于橫軸120和130之間的紅色小鼓包就是希格斯粒子的信號戛然止步。

在競爭對手SSC項目被取消后，歐洲終于不再猶豫。1994年，歐洲核子中心的各成員國毫無懸念地投票通過了大型強子對撞機（Large Hadron Collider，簡寫為LHC）的建設計劃，并在2 1世紀的第一個10年內完成了LHC的建設與調試工作。2009年年底，強大的LHC完成了它的第一次對撞。正如大家所期待的那樣，LHC迅速且高效地收集了大量粒子對撞的數據，科學家團隊也馬不停蹄地開始了這些數據的分析工作。

2012年7月4日，是這一年的國際高能物理大會開幕的日子，也是值得科學界銘記的一天。這一天，位于日內瓦的歐洲核子研究中心舉辦了一場面向全球直播的、特殊的報告會。會上，兩個在LHC的合作組分別宣布，他們發現了“像是希格斯粒子的信號”。由于LHC的數據量十分龐大，因此他們認為，這一發現誤判的可能性只有幾百萬分之一。

此時，距離恩格勒、布繞特和希格斯等人提出希格斯機制已經過去了48年。當時，仍然在世的恩格勒和希格斯也出現在了日內瓦的會場上，兩位耄耋之年的老人，激動之情溢于言表。經過了近半個世紀的努力，人類終于發現了這個關乎質量起源的粒子。

02捕捉希格斯粒子

2007年，我國的網絡上流傳著這樣一則新聞：一位陜西的農民拍攝到了一張野生華南虎的照片。野生華南虎曾被認為已經絕跡，這張照片則讓動物保護者重拾了希望。然而，事情的結局正如大家所知道的那樣，這只不過是一場由偽造的照片掀起的鬧劇。

但是，假設在另一個平行宇宙的故事中，一張森林照片中拍攝到了真實的華南虎，那這張照片無疑就是野生華南虎存在的重要證據。在LHC上發現的希格斯粒子，就像是在茂密森林中拍攝到的華南虎。

LHC是一臺能量巨大、用途廣泛的對撞機，它的對撞產物極其復雜，能夠產生希格斯粒子的事件只是所有被記錄的粒子對撞事件中非常非常微小的一部分。在希格斯粒子事件之外，是茂密、復雜的粒子衰變大森林，物理學家在這片“森林”中不僅能找到希格斯粒子這只華南虎，還能找到大量其他有意義的事件。幸運的是，大自然不會偽造照片，盡管科學家在這片粒子衰變森林的照片中，看到的希格斯粒子的身影很小，但已經足夠讓科學家確信，那只藏了半個世紀的“老虎”，它就在那兒。

雖然巨大照片中的渺小身影能告訴科學家“老虎”就在那里，但是，想要真正清楚地了解這只“老虎”的生活習性和健康;狀況，捉一只回來看看或許才是更好的辦法。對粒子物理學家來說，還真有類似“捉回來看看”的辦法，那就是借助正負電子對撞機。雖然都被稱為“對撞機”，但它與前文提到的LHC和SSC相比，其實是兩類不同的研究工具。

LHC和SSC是強子對撞機，它們依靠超高的能量和復雜的物理過程，產生大量不確定的對撞產物，科學家可以在這樣大量的對撞產物中進行復雜的篩選，挑選出自己感興趣的事件進行研究。因此，在強子對撞機上研究的課題可以很分散。每一個科學家都有自己獨特的研究興趣，一個科學家感興趣的事件，在另一個科學家看來，可能就是干擾。而目標粒子的很多特征也會被淹沒在大森林異常豐富的干擾中，使這種尋找目標粒子的過程變得非常艱難。

正負電子對撞機則不一樣，它們會運行在“合適”的對撞能量上，并且依靠相對簡單的物理過程，產生大量相對“干凈”的目標粒子。強子對撞機的對撞產物五花八門，是一個“大力出奇跡”的過程;正負電子對撞機的對撞產物則如同流水線產品，能給科學家更清晰的事件信號。因此，正負電子對撞機通常被當作某一種目標粒子的“粒子工廠”。

對于希格斯粒子而言，盡管科學家已經發現了它，但對它的了解并不透徹。2012年，科學家在LHC上發現希格斯粒子并確定了產生希格斯粒子所需的能量后不久，我國和歐洲的科學家團隊就分別拿出了一套可以作為“希格斯粒子工廠”的正負電子對撞機的建設方案。在未來的希格斯粒子工廠中，希格斯粒子也會如流水線上的產品一般被生產出來。彼時，科學家對希格斯粒子的研究，就可以像研究籠中的老虎一樣清晰、準確且全面。

05希格斯粒子的富礦

在粒子物理學家探究最小的微觀世界，并嘗試在其中搭建“粒子物理學標準模型”的同時，另一批科學家正向著時間與空間尺度上的另一個極端探索。

在過去的一個多世紀里，物理宇宙學的集大成者是宇宙大爆炸模型。在這個模型中，我們的宇宙始于大約138億年前一個溫度無限高、無限致密的點，而它的尺度一直在膨脹。在宇宙早期，物質間的各種相互作用力都統一在一起，所有的基本粒子也都沒有質量，真空中充滿了由希格斯粒子構成的希格斯場。之后，隨著宇宙膨脹，宇宙的溫度開始極速下降。希格斯場的存在促使了粒子核內兩種相互作用力與電磁力分離，這個過程就像是一杯混合雞尾酒飲料在冷凍凝結的過程中，不同的成分在不同溫度下分別從飲料中析出。而基本粒子也在這時候獲得了質量。

大爆炸模型中，宇宙在年齡小于一億億億億分之一秒的這段時間里，經歷過一段突然加速膨脹的時期，尺度從遠小于1個質子的大小膨脹到了1個拳頭的大小，這個時期被稱為“暴脹時期”。宇宙的暴脹似乎是受到了一種新的量子場的影響，而這種場怎么看都有些像是希格斯場。

宇宙誕生之初就存在的這個量子場，是不是就是希格斯粒子的波瀾？宇宙學家的模型在數學上很美妙，但是在物理上卻很骨感。數學模型再怎么美妙都只是模型，只有被實驗證實之后才能成為真理。宇宙學家似乎在另一個背景下重新發現了希格斯場，就像是另一批探險者在森林中發現了食肉猛獸的腳印。但是，這個腳印是不是粒子物理學家拍攝到的“華南虎”？這只有在人類真正捕捉到照片中的一只猛獸之后，也就是利用新的希格斯粒子工廠對撞機更系統地認知希格斯粒子之后，一切的理論假設才能有一個更堅實的結論。

2018年年底，我國的希格斯粒子工廠——環形正負電子對撞機（Circular Electron Positron Collider，簡寫為CEPC）的設計團隊完成了《概念設計報告》。兩個月后，歐洲的希格斯粒子工廠——未來環形對撞機（ Future CircularCollider，簡寫為FCC）的設計團隊也發布了他們的《概念設計報告》。由于歐洲粒子物理學界未來20年的工作重心仍然會在現有的對撞機LHC的升級與運行上，中國將有望在希格斯粒子的狩獵游戲中獲得10年的時間優勢。

當前，歷史的發展趨勢已經到了更廣泛的科學合作成為科學研究的主流的階段，無論我國還是歐洲，無論誰建設了希格斯粒子工廠，科學家都會在全球范圍內開展合作，共同向人類的認知極限發起挑戰，也會因此在人類不斷前進的認知宇宙的歷史車輪上，刻下最深刻的印記。

本文內容來自《科學24小時》2020年第10期