通往希格斯粒子之路

2012年6月14日深夜，一群在LHC工作的博士后研究员以及研究生，开始查看一个刚打开的数据快记区。LHC这座巨大加速器坐落于日内瓦附近的欧洲核子研究中心，几个月前，它才从冬天的休眠状态苏醒过来。自那时起，LHC已经产生了极大量的数据。但是，LHC最大两个实验组的6000余名物理学家，却很怕他们在分析数据时无意间加进自己的主观偏见，因此他们相约在6月中前完全不去探知结果，也就是执行所谓的盲分析，一直要等到6月中，在发狂挑灯夜战之后才揭开答案。

众多年轻科学家彻夜分析刚开放的数据。虽然LHC这个巨大的对撞机“喂养”了很多实验，但是只有其中两个最大的实验：ATLAS与CMS侦测器，才担负着寻找希格斯粒子的责任。这个大家找寻已久的粒子是量子物理标准模型中唯一还没补足的“拼图片”。质子在这两个实验的庞大侦测器里对撞，产生的次原子碎片源源喷出，由侦测器记录下来。对于这些碰撞残余物仔细且独立的分析，可能揭露一闪即过的新现象，其中或许包括那难以捉摸的希格斯粒子。但是侦测器必须过滤大量的粒子轨迹以及留下的能量，与此同时，还得忍受低能量背景粒子的不断冲击，而有趣的信号可能会被这些背景粒子遮盖掉。这就好像一方面从消防水管喝水，同时还要用你的牙齿搜出几粒很小的金子。

幸好，科学家知道自己要寻找的是什么。在度过LHC启动初期所遇上的灾难性意外（2008年，在LHC启动9天之后，连接两个磁铁的电路接头发热并熔化了，产生的巨大火花刺穿了附近的容器，因而释放出几吨的氦气，并把几十个昂贵的超导磁铁从支座上扯了下来）之后，对撞机在2011年间已经搜集了很多数据，足以看到希格斯粒子的初步迹象。

在LHC于2011年10月停止运转（这是事先计划的冬季停机）之后，ATLAS的发言人吉亚诺提与当时CMS的发言人东奈里，于2011年12月中在挤满了人的欧洲核子研究中心大讲堂，一起做了一场特别的学术演讲。这两个实验团队都从数据中看到了意味着希格斯粒子存在的迹象。

此外，这些希格斯粒子的迹象也相互呼应。ATLAS与CMS都看到了两个总能量为125GeV（1GeV相当于10亿电子伏特，是量子物理的质量与能量标准单位，大约等于一个质子的质量）光子射出的事例，这些事例的次数比预期的背景值还多了数十个。如果质子碰撞产生了寿命很短的希格斯粒子，它们可以衰变成两个光子，而这两个实验也都发现总能量约为125GeV的四个带电荷轻子（电子或缈子）射出的事例数量比背景值高，它们可能来自希格斯粒子。这种情况前所未见，表示某种真实的东西要开始从数据中浮现。

不过由于量子物理的标准很严，2011年的一切信号尚未强到足以宣称“发现”了希格斯粒子。在过去，类似的数据信号经常后来就消失无踪，也就是它们只是随机的涨落而已。LHC在2012年春季成功运转，11个星期间的质子碰撞次数比2011年一整年还要多。搜集的更多数据可以轻易地把2011年看到的迹象抹掉，让它们淹没于背景噪声之中。

当然，也可能出现相反的情况。如果之前的迹象的确来自真实的希格斯粒子，而不仅是残酷的统计涨落，则所有的新数据将给研究人员提供绝佳的机会，得以宣称正式发现了希格斯粒子，让数十年的搜寻画下旬点，并开启了解物质与宇宙的全新时代。

希格斯粒子从来就不是另一个粒子而已，因为现代量子物理是由一组环环相扣的理论构成的，称为标准模型，而希格斯粒子正是标准模型这个宏伟智性体系的基石。英国爱丁堡大学的希格斯在1964年提出有这样一个粒子存在，它是一种微妙机制的必然结果，这个机制赋予基本粒子质量；比利时布鲁塞尔大学的翁勒与布饶特以及英国伦敦皇家学院的三位研究人员也独立提出了这个机制：宇宙的每个角落都充满了一种难以捉摸、极纤细的流体（称为希格斯场），它让基本粒子带有各自的质量，希格斯粒子便是这种流体的实体展现。由于人们在20世纪70年代发现了夸克与胶子，到了20世纪80年代初，质量很大的、传递弱核力的W玻色子与z玻色子也被发现了，大部分的标准模型便已很精巧地组合起来。

虽然理论学家宣称希格斯粒子（或某种很像它的东西）必须存在，却无法预测它的质量，再加上其他因素，寻找希格斯粒子的研究人员没有太多线索可循。早在1984年，人们便以为看到了这样一个粒子，因为似乎有一个质量小于9倍质子质量的粒子，出现在位于德国汉堡、翻新之后的低能量电子正子对撞机。它看似希格斯粒子，但是在进一步研究后，这个初步的可能性便被排除了。

多数理论学家同意，希格斯粒子的质量应该更高上10倍～100倍。如果是这样，我们就需要一座远比费米国家实验室的正负质子对撞机更大、能量更高的对撞机，才足以发现希格斯粒子。正负质子对撞机是周长为6000米的质子—反质子对撞机，完成于1983年。同一年，欧洲核子研究中心开始建造花费10亿美元的大型电子正子对撞机，在日内瓦附近挖了周长为27千米的圆形地道，四度跨越法国与瑞士国境。虽然大型电子正子对撞机有其他重要的物理目标，希格斯粒子仍是它最想捕捉的对象之一……

【大事年表】

科学家在2012年夏天发现了类希格斯粒子，代表数十年的追寻走到了终点。在量子物理标准模型成形之前的几年，物理学家体认到他们无法解释粒子为何应该带有质量。一连串的理论引导出一个想法：一种新的场（现称为希格斯场）能够让粒子慢下来并赋予它们惯性。这个场应该有个随附的粒子，所以物理学家便开始了对希格斯粒子的追寻。

1964年8月：论文出炉

有三篇论文提出一种机制以及一种粒子，后来以希格斯为名。翁勒与布饶特发表了三篇论文中的第一篇。希格斯的论文为第二篇，发表于两周之后。古拉尼克、哈根与奇波于同年11月发表了第三篇论文。

1979年8月：发现胶子

科学家首先在德国电子同步加速器中观察到胶子，亦即负责核力的粒子。根据理论学家的计算，胶子的融合会比任何其他过程产生更多的希格斯粒子。

1983年1月：发现W玻色子

当欧洲核子研究中心的超级质子同步加速器首次发现w玻色子后，科学家便找到了标准模型最后欠缺的拼图之一。

1989年7月：新对撞机启动

为了追寻更远大的目标，欧洲核子研究中心在27千米长的环形地道里建造的大型电子正子对撞机开始启动。

2000年9月：寻找希格斯粒子的最后冲刺

正当大型电子正子对撞机依预定计划要永久关闭时，科学家侦测到了希格斯粒子的迹象。管理当局便允许大型电子正子对撞机多运转6个星期，并把碰撞能量推高到超过机器的设计值，但终究一无所获。现在我们知道，那个微弱的迹象并非希格斯粒子，因为质量不符。

2000年11月2日：一个时代的结束

欧洲核子研究中心关闭了大型电子正子对撞机，以便开始建造LHC，它最终找到了希格斯粒子。

2008年9月10日：一切妥当

刚建成的LHC完成了首次质子束绕行。

2008年9月19日：灾难来临

连接两个磁铁的电路接头发热并熔化，巨大的火花刺穿了磁铁的容器，释放出几吨的氦气，超过50个超导磁铁因而被从支座上扯了下来，或者说被毁掉了。

2012年7月4日：发现类希格斯粒子

欧洲核子研究中心的科学家宣布，他们在125GeV处发现了一个类希格斯粒子。