寻找上帝粒子：一场漫长的狩猎游戏

陈缮真

“我們的世界是由什么构成的？”这是一个从人类文明诞生之初就一直被人类追寻的问题，但直到最近两个世纪，随着现代科学的发展，才逐渐有了准确的答案。19世纪的化学家发现，世界中的万物都可以由几十种不同的化学元素组合而成。到了20世纪30年代，物理学家进一步发现，每一种化学元素都是由原子组成的。每一个原子都包含了一个位于原子中心的原子核，以及若干个核外的带负电的电子。每一个原子核则是由不同数目的带正电的质子以及电中性的中子构成。

在原子中，质子与中子的质量占据了原子质量的绝大部分。而质子与中子的质量非常之小，以至于每一克物质，都包含了将近一亿亿亿个质子或中子。

虽然质子与中子如此之小，但它们仍然不是人类微观探索之旅的终点。20世纪60-70年代，科学家们逐渐意识到，质子与中子仍然有内部结构。每一个质子或者中子都是由3个更小的次级结构组成。预言这种次级结构的科学家莫里·盖尔曼有着一种科学宅男独有的幽默，他模仿鸭子的叫声，将这种结构命名为了“夸克”。

在质子与中子内，夸克之间的相互作用力是由另外8种不同的粒子所传递的。这8种传递夸克之间作用的粒子统称为“胶子”。就像它的名字所暗示的那样，胶子可以将质子或中子里的3个夸克“粘”在一起。

在质子与中子内，夸克所占的质量只有大约1%，其余99%的质量都来自于在夸克间飞来飞去的胶子的能量。在微观和高速的世界里，质量已经不再是物质的基本属性，能量则可以通过某种“交易”机制成为质量。

然而，最初的质量是从哪里来的？在20世纪50-60年代蓬勃发展的粒子物理的理论模型中，质量的起源一直是最棘手的问题。这一时期的理论认为，量子场所激发出的粒子是没有质量的。然而，没有质量的粒子应该像光子一样，永远以光速传播，并且可以传向无限远。但现实中科学家却从未观测到这样的粒子，这就与这一时期的理论相矛盾。

直到1964年，弗朗索瓦·恩格勒和罗伯特·布绕特，以及彼得·希格斯分别发表了2篇文章，指出如果假设存在一个无处不在的场——也就是日后被称为“希格斯场”的场，那么其他粒子在希格斯场中前行就会像是在泥沼中跋涉的旅人，可以通过与希格斯场的相互作用获得质量。而这一机制则被称为“希格斯机制”。

就像是西方宗教故事中上帝创造了世间万物一样，希格斯机制赋予了世间万物的质量。而希格斯粒子就像是希格斯场自身的涟漪，能证明希格斯机制的存在。美国科学家利昂·莱德曼因此将希格斯粒子称之为“上帝粒子”。

希格斯机制在被提出之初并没有马上赢得物理学家们的信任。直到3年之后，史蒂芬·温伯格等人在尝试开始搭建粒子物理的标准模型的时候才意识到希格斯机制在标准模型中的重要性。从此，粒子物理学界开始长达将近半个世纪的对希格斯粒子的狩猎。

希格斯粒子现形

目前，粒子物理学家寻找新粒子的终极武器就是对撞机。科学家将粒子加速，给予它们极高的运动能量，然后将两束相向运动的粒子瞄准一个点对撞，那么在一瞬间，粒子的动能就能全部释放出来。这一瞬间，一部分能量就能通过与质量的“交易”机制转换成质量。而新的粒子，就有可能在这个过程中被创造出来。

在20世纪的最后10年，欧洲和美国其实已经各自运行着一台曾被寄予寻找希格斯粒子希望的对撞机。然而，由于能量仍不够高，以及收集到的数据内容过于复杂等原因，这两台曾在粒子物理其他领域发挥了重要作用的对撞机都未能最终找到希格斯粒子。

但是早在1986年，美国的粒子物理学家就完成了另一台更加宏伟的对撞机的设计，它就是周长达到80多千米的超导超级对撞机（SSC）。1990年，它在美国得克萨斯州开始破土动工。到了1993年，已经有上千名物理学家和工程师在SSC的建设过程中集结。

可是命途多舛的SSC在经历了临阵改变设计，以及冷战对抗结束、民主党总统上台、国际空间站项目竞争等内外变故之后愈发坎坷。它终于在1993年年底被美国国会叫停。美国科学家在寻找上帝粒子道路上的步伐也戛然而止。

在美国的对撞机被取消之后，欧洲终于决定不再犹豫。1994年，欧洲核子中心的各成员国毫无悬念地投票通过了LHC建设计划，并在新世纪的第一个十年内完成了LHC的建设与调试工作。2009年年底，强大的LHC完成了它的第一次对撞。正如科学家们所期待的那样，LHC迅速且高效地收集了大量的粒子对撞的数据。与此同时，科学家们也在马不停蹄地进行着对收集到的数据的分析工作。

2012年7月4日，是这一年的国际高能物理大会开幕的日子，也是值得被科学界铭记的一天。这一天，在位于日内瓦的欧洲核子研究中心举办了一场特殊的向全球直播的报告会。在这场报告会上，两个在LHC上工作的合作组分别宣布了他们发现了“像是希格斯粒子的信号”。由于LHC的数据量如此之大，他们认为，这一发现误判的可能性只有几百万分之一。

原子内物质结构的示意图

此时，距离恩格勒、布绕特和希格斯等人提出希格斯机制已经过去了48年。当时，仍然在世的恩格勒和希格斯也出现在了日内瓦的会场上，两位耄耋老人的激动之情溢于言表。经过了接近半个世纪的努力，人类终于发现了这个关乎质量起源的粒子。

捕捉希格斯粒子

2007年，我国的网络上流传着这样一则新闻：一位陕西的农民拍摄到了一张野生华南虎的照片。舆情在当年的网络上快速发酵，这是因为，野生华南虎曾被认为已经绝迹，而这张照片让动物保护者重拾了希望。然而，事情的结局正如大家所知道的那样，这只不过是一场伪造照片所掀起的闹剧。

但是，假设在另一个平行的故事之中，有一张照片拍摄到了真实的华南虎，那这张照片将无疑会是野生华南虎存在的重要证据。在LHC上发现的希格斯粒子，就像是一张拍摄有茂密森林的照片中出现了华南虎的身影。LHC是一台能量巨大、用途广泛的对撞機，它的对撞产物极其复杂，而希格斯粒子能够产生的事件只占所有记录下的粒子对撞事件中非常非常微小的一部分。在希格斯粒子事件之外，是茂密的、复杂的粒子衰变大森林，物理学家在这片“森林”之中不仅能找到希格斯粒子这只“华南虎”，还能找到大量其他的有意义的事件。幸运的是，大自然不会伪造照片，尽管科学家在这片森林照片中看到的希格斯粒子的身影很小，但是已足以让科学家确信，那只藏了半个世纪的“老虎”就在那儿。

然而，虽然巨大照片中的渺小身影能告诉科学家老虎的存在，但是想要真正清楚地了解这只老虎的生活习性和健康状况，捉一只回来看看或许才是更好的办法。

对于粒子物理学家来说，还真有一种类似于“捉回来看看”的办法，那就是正负电子对撞机。虽然都被称作“对撞机”，但跟前文的LHC和SSC对撞机其实是2类研究工具。LHC和SSC是强子对撞机，它们依靠超高的能量、复杂的物理过程，产生大量不确定的对撞产物。接下来，科学家们可以在这样大量的对撞产物中进行复杂的筛选，挑选出自己感兴趣的事件进行研究。因此，在强子对撞机上研究的课题可以很分散，每一个科学家都有自己独特的研究兴趣，可以在森林中寻找自己所需要的“动物”。然而这也导致了，一个科学家感兴趣的事件，在另一个科学家看来可能就是干扰。因此，在森林中寻找目标粒子的过程非常艰难，而目标粒子的很多特征也会被淹没在森林中异常丰富的干扰之中。

发现希格斯粒子的图像之一，在巨大的背景干扰信号之中，在位于120 和130之间的红色小鼓包就是希格斯粒子的信号。发现希格斯粒子的图像之一，在巨大的背景干扰信号之中，在位于120 和130 之间的红色小鼓包就是希格斯粒子的信号。

正负电子对撞机则不一样，它们会运行在“合适”的对撞能量上，并且依靠相对简单的物理过程，产生大量相对“干净”的目标粒子。强子对撞机的对撞产物五花八门，是一个“大力出奇迹”的过程。而正负电子对撞机的对撞产物则如同流水线商品，能给科学家更清晰的事件信号，因此，正负电子对撞机通常被当作某一种目标粒子的“粒子工厂”。

2007年，曾在网络上引起巨大争议的华南虎事件的照片。

对于希格斯粒子而言，尽管科学家已经发现了它，但是对它的了解还很不透彻。2012年，科学家在LHC上发现了希格斯粒子，确定了产生希格斯粒子所需的能量后不久，我国和欧洲的科学家团队就分别拿出了一套可以作为“希格斯粒子工厂”的正负电子对撞机的建设方案。在未来的希格斯粒子工厂中，希格斯粒子也会如流水线上的商品一般被生产出来，彼时科学家对希格斯粒子的研究就可以像研究笼子中的老虎一样清晰、准确且全面。

希格斯粒子的富矿

在粒子物理学家探究最小的微观世界，搭建“粒子物理学标准模型”的同时，另一批科学家在向着时间与空间尺度的另一个极端探索前进。在过去的一个多世纪里，物理宇宙学的集大成者是宇宙大爆炸模型。在这个模型中，我们的宇宙始于大约138亿年前一个无限致密、温度无限高的点，而它的尺度从时间开始起就一直在膨胀。在宇宙早期，物质间的各种相互作用力都统一在一起，所有的基本粒子也都没有质量，而真空中则充满了由希格斯粒子构成的希格斯场。之后，随着宇宙膨胀，宇宙的温度开始极速下降。希格斯场的存在促使了核内存在的两种相互作用力与电磁力的分离，这个过程就像是一杯混合鸡尾酒饮料在冷冻凝结的过程中，不同成分分别在不同温度下从饮料中被析出。而基本粒子也在这时候获得了质量。

在宇宙大爆炸模型中，在宇宙年龄小于一亿亿亿亿分之一秒的这段时间里，宇宙经历过一段突然加速膨胀的时期，它的尺度从远小于一个质子的大小膨胀到了一个拳头的大小，这个时期被称作“暴胀时期”。宇宙的暴胀似乎是受到了一种新的量子场的影响，而这种场怎么看都有些像是希格斯场。

宇宙创世之初就存在的这个量子场是不是就是上帝粒子的波澜？宇宙学家的模型在数学上很美妙，但是在物理上却很骨感。数学模型再怎么美妙都只能是模型，只有被实验证实之后才能成为真理。宇宙学家似乎在另一个背景下重新发现了希格斯场，就像是另一批探险者在森林中发现了食肉猛兽的脚印。但是，这个脚印是不是粒子物理学家拍摄到的“华南虎”？这只有在人类真正地捕捉到照片中的一只猛兽之后，也就是利用新的希格斯粒子工厂对撞机更系统地认知希格斯粒子之后，一切的理论假设才能有一个更坚实的结论。

2018年年底，我国希格斯粒子工厂——环形正负电子对撞机（CEPC）的设计团队完成了对撞机的《概念设计报告》。而就在此之后的2个月后，欧洲的希格斯粒子工厂——未来环形对撞机（FCC）的设计团队也发布了他们的《概念设计报告》。由于欧洲粒子物理学界在未来20年的工作重心仍然会在现有的对撞机LHC的升级与运行上，中国在希格斯粒子的狩猎游戏中将有望获得10年的时间优势。

当前，广泛的科学合作成为科学研究的主流。无论我国还是欧洲建设了希格斯粒子工厂，科学家们都会在全球范围内通力合作，共同向人类的认知极限发起挑战。而人类对于宇宙认知的发展，也会因此在不断前进的历史车辙上留下深刻的印记。