寻找希格斯粒子

粲先生

我们的世界是由什么构成的？

这是一个从文明诞生之初就一直伴随着人类的问题。随着现代科学的发展，直到最近两个世纪，这个问题才逐渐有了准确的答案。

19世纪的化学家发现，世界万物都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，每一种化学元素都由原子组成;而每一个原子都包含了一个位于原子中心的原子核和若干个核外的带负电的电子;每一个原子核则由不同数目的带正电的质子以及电中性（正负电荷平衡）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，小到什么程度呢？每1克物质，都包含了将近1亿亿亿个质子或中子。

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世纪六七十年代，科学界逐渐意识到，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的。预言这种次级结构的美国物理学家、1969年诺贝尔物理学奖得主莫里·盖尔曼（ 19292019）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“夸克”。

而在质子与中子中，夸克之间的相互作用力则是由另外8种不同的粒子所传递的。这8种传递夸克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“黏”在一起。

在质子与中子中，夸克所占的质量大约只有总质量的1%，其余99%的质量都来自在夸克间飞来飞去的胶子的能量。在微观、高速的世界里，质量已经不再是物质的基本属性，能量正在通过某种“交易”机制成为质量。

那么，物质最初的质量是从哪里来的呢？在20世纪五六十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应该是没有质量的。没有质量的粒子应该像光子一样，永远以光速传播，并且可以传播向无限远，然而在现实中，科学家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，比利时理论物理学家、201 3年诺贝尔物理学奖得主弗朗索瓦·恩格勒（1932）和比利时理论物理学家罗伯特·布绕特（ 1928-2011），以及英国物理学家、2013年诺贝尔物理学奖得主彼得·希格斯（1929）分别发表了2篇文章，指出假设存在一个无处不在的场（后被称为“希格斯场”），那么，在希格斯场中前行的其他粒子，就像在泥沼中跋涉、腿脚变得沉重的旅人，会在与希格斯场的相互作用中获得质量，这一机制被称为“希格斯机制”。

希格斯机制赋予了世间万物质量，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。

希格斯机制在提出之初并没有马上赢得物理学界的信任。直到3年之后，美国物理学家、1979年诺贝尔物理学奖得主史蒂芬·温伯格等人在开始尝试搭建粒子物理的标准模型时，才意识到希格斯机制在标准模型中的重要性。从此，粒子物理学界开始了长达近半个世纪的对希格斯粒子的狩猎。

01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，给它们极高的运动能量，然后让两束相向运动的粒子瞄准一个点对撞，在撞击的一瞬间，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，欧洲和美国其实各自运行着一台曾被寄予厚望寻找希格斯粒子的对撞机。然而十分遗憾，因能量仍不够高，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的其他领域发挥过重要作用的对撞机，最终都未能找到希格斯粒子。

但其实早在1986年，美国的粒子物理学家就完成了对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（ Superconducting Super Collider，简写为SSC）。1990年，它在美国得克萨斯州破土动工，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、总统换届、国际空间站项目竞争等内外变故之后，其建设之路变得愈发坎坷，并最终于1993年年底被美国国会叫停。美国科学家在寻找希格斯粒子的道路上

发现希格斯粒子的示意图。在巨大的背景干扰信号中，位于横轴120和130之间的红色小鼓包就是希格斯粒子的信号戛然止步。

在競争对手SSC项目被取消后，欧洲终于不再犹豫。1994年，欧洲核子中心的各成员国毫无悬念地投票通过了大型强子对撞机（Large Hadron Collider，简写为LHC）的建设计划，并在2 1世纪的第一个10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。正如大家所期待的那样，LHC迅速且高效地收集了大量粒子对撞的数据，科学家团队也马不停蹄地开始了这些数据的分析工作。

2012年7月4日，是这一年的国际高能物理大会开幕的日子，也是值得科学界铭记的一天。这一天，位于日内瓦的欧洲核子研究中心举办了一场面向全球直播的、特殊的报告会。会上，两个在LHC的合作组分别宣布，他们发现了“像是希格斯粒子的信号”。由于LHC的数据量十分庞大，因此他们认为，这一发现误判的可能性只有几百万分之一。

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，两位耄耋之年的老人，激动之情溢于言表。经过了近半个世纪的努力，人类终于发现了这个关乎质量起源的粒子。

02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。野生华南虎曾被认为已经绝迹，这张照片则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，这只不过是一场由伪造的照片掀起的闹剧。

但是，假设在另一个平行宇宙的故事中，一张森林照片中拍摄到了真实的华南虎，那这张照片无疑就是野生华南虎存在的重要证据。在LHC上发现的希格斯粒子，就像是在茂密森林中拍摄到的华南虎。

LHC是一台能量巨大、用途广泛的对撞机，它的对撞产物极其复杂，能够产生希格斯粒子的事件只是所有被记录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、复杂的粒子衰变大森林，物理学家在这片“森林”中不仅能找到希格斯粒子这只华南虎，还能找到大量其他有意义的事件。幸運的是，大自然不会伪造照片，尽管科学家在这片粒子衰变森林的照片中，看到的希格斯粒子的身影很小，但已经足够让科学家确信，那只藏了半个世纪的“老虎”，它就在那儿。

虽然巨大照片中的渺小身影能告诉科学家“老虎”就在那里，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。对粒子物理学家来说，还真有类似“捉回来看看”的办法，那就是借助正负电子对撞机。虽然都被称为“对撞机”，但它与前文提到的LHC和SSC相比，其实是两类不同的研究工具。

LHC和SSC是强子对撞机，它们依靠超高的能量和复杂的物理过程，产生大量不确定的对撞产物，科学家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，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。而目标粒子的很多特征也会被淹没在大森林异常丰富的干扰中，使这种寻找目标粒子的过程变得非常艰难。

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;正负电子对撞机的对撞产物则如同流水线产品，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”。

对于希格斯粒子而言，尽管科学家已经发现了它，但对它的了解并不透彻。2012年，科学家在LHC上发现希格斯粒子并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产品一般被生产出来。彼时，科学家对希格斯粒子的研究，就可以像研究笼中的老虎一样清晰、准确且全面。

05希格斯粒子的富矿

在粒子物理学家探究最小的微观世界，并尝试在其中搭建“粒子物理学标准模型”的同时，另一批科学家正向着时间与空间尺度上的另一个极端探索。

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138亿年前一个温度无限高、无限致密的点，而它的尺度一直在膨胀。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，真空中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粒子核内两种相互作用力与电磁力分离，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，不同的成分在不同温度下分别从饮料中析出。而基本粒子也在这时候获得了质量。

大爆炸模型中，宇宙在年龄小于一亿亿亿亿分之一秒的这段时间里，经历过一段突然加速膨胀的时期，尺度从远小于1个质子的大小膨胀到了1个拳头的大小，这个时期被称为“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。

宇宙诞生之初就存在的这个量子场，是不是就是希格斯粒子的波澜？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，我国的希格斯粒子工厂——环形正负电子对撞机（Circular Electron Positron Collider，简写为CEPC）的设计团队完成了《概念设计报告》。两个月后，欧洲的希格斯粒子工厂——未来环形对撞机（ Future CircularCollider，简写为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，中国将有望在希格斯粒子的狩猎游戏中获得10年的时间优势。

当前，历史的发展趋势已经到了更广泛的科学合作成为科学研究的主流的阶段，无论我国还是欧洲，无论谁建设了希格斯粒子工厂，科学家都会在全球范围内开展合作，共同向人类的认知极限发起挑战，也会因此在人类不断前进的认知宇宙的历史车轮上，刻下最深刻的印记。

本文内容来自《科学24小时》2020年第10期