“万能”的希格斯粒子

科学是如此一门学科，在其中，即使是此辈之愚者亦能超越上辈之智者。

——马克斯·格卢克曼（Max Gluckman）

大型强子对撞机（LHC）是欧洲核子研究中心（CERN）目前正在运行和最为重要的实验装置，其主要科学目标包括精确检验粒子物理的标准模型、发现标准模型的最后一块基石——希格斯粒子，以及寻找超出标准模型的新物理信号等。

LHC 及其配套的六个探测器由八十多个国家的近万名科学家，历时二十年，花费逾百亿美元于2008 年在日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）建成并试运行，次年开始正式运行。几十年来，CERN 建造了包括著名的大型正负电子对撞机（LEP）在内的若干不同类型的粒子物理、核物理实验装置，产生过多项具有里程碑意义的重大科学研究成果，甚至现在风靡全球、人们日常生活不可或缺的万维网（WWW）也发端于CERN 的实验室。

希格斯粒子

希格斯粒子究竟是什么？为什么花费那么多时间、精力和财力都要找到它？

这要从标准模型理论开始讲起，在标准理论中，大到不可思议的宇宙，小到难以想像的基本粒子，不胜枚举的数据（主要来自物理学、化学和生物学）都能够被描述和预测，精确到叹为观止的地步，而需要的仅仅是一些基本元素：夸克、轻子、四种基本作用力，再加上希格斯玻色子。

在标准模型中，夸克和电子构成了世界万物，而它们本身不由任何东西构成。但我们知道世界万物是有质量的，而质量就来源于希格斯粒子（原本没有质量的基本粒子在宇宙冷却的过程中获得了质量；希格斯场也通过自相互作用获得了质量，对应的粒子即是标量希格斯粒子）。

标准模型理论可以说是目前人类对微观世界认识方面的最高理论成就。标准模型是如此成功，模型所预言的各种现象不断被证实，模型所需的基本组员也陆续被发现。2012年前，唯一的缺憾就是希格斯粒子还未找到。科学理论是对自然的解释和描述，正确与否最终都要靠实验来检验。如果得不到实验检验，再漂亮的理论，不论它看起来是多么玄妙，也不过是个假说，不会有长久的生命力。

终于在2012年7月4日，这个必定成为人类科学史上一个重要日子的一天。这一天，两个开展LHC物理研究的重要国际合作实验组ATLAS 和CMS，同时宣布在各自的探测器上均发现了希格斯粒子存在的迹象。

LHC

现在我们来详细介绍一下LHC。在瑞士、法国边境地下百米深处暗藏着一条环形隧道（图1）。隧道全长27 千米，里面藏着个庞然大物。它就是我们的主角：大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）（图2）。

图1  LHC地理位置图

【黄色小圆环为全长7千米的超级质子同步加速器，大圆环为全长27千米的大型强子对撞机。红色和蓝色圆环示意两道质子束运动轨迹和方向（入射箭头表示质子束注入），它们相交于四处，分别为四个主要探测器所在地。黑色实线表示LHC环道的八个等分区域，ATLAS在第一区域。CMS在第五区域。】

图2  CERN加速器设施群

【LHC为大型强子对撞机，SPS为超级质子同步加速器，PS为质子同步加速器，AD为反质子减速器，CTF3为紧凑直线加速器测试设施，CNGS为从CERN到大萨索山中微子项目，ISOLDE为在线同位素分离器设置，LEIR为低能离子环，LINAC为直线加速器，n-ToF为中子飞行时间测量装置。】

LHC 高能质子–质子对撞实验装有四个大型探测器，ATLAS 和CMS 就是其中的两个多功能探测器，ATLAS 探测器非常庞大（图3），它深藏地底，位于LHC 的一个对撞点上。这些对撞点，顾名思义，就是身怀全球最高能量的两道粒子束对撞之处。

图3  ATLAS探测器计算机模拟图

大多数高能粒子物理的探测器都分布在粒子束对撞点周围，它们洋葱结构的每一层都包含不同的技术，专门为了观测对撞的各种不同效应而设计（图4）。ATLAS 探测器身为两个通用型粒子探测器之一，负责粒子束对撞结果的测量任务。

图4  ATLAS探测器工作原理

【对撞产生的粒子经过内层跟踪器、热量计和μ子谱仪时表现出不同性质（虚线表示无法被相应仪器探测到）。μ子可以被所有仪器探测到，最后飞出探测器；光子和电子停留在电磁热量计，但光子无法被内层跟踪器探测到；质子和中子停留在强子热量计，但中子无法被内层跟踪器和电磁热量计探测到；中微子无法被任何仪器探测到，径直飞出探测器。】

标准模型中的粒子和作用力

如果你不介意陌生奇怪的名词，你完全可以跳过“术语”部分。但如果不了解标准模型的一鳞半爪，恐怕有些段落会不知所云。

试问：“一尺之棰，日取其半，是否万世不竭？”对于这个古老的问题，粒子物理的标准模型给出了一种解答，而且它是目前已知的最佳解答。

让我们再来一场想像之旅，这回往微观世界。想像一下，随手拿个物体，将它剥洋葱般层层剥开。你将发现从宏观到微观，它呈现着奇妙的层次结构，一直小到微米、纳米尺度的小颗粒：纤维、细胞、线粒体，等等。继续剥开这些小颗粒，最终你将得到分子。如果能量足够大，还可以剥开分子，得到原子。原子由原子核和电子组成。原子核非常小，结构坚硬致密，稳坐正中央，而电子如云雾般环绕着原子核。

你需要非常高的能量，才能从原子核的电磁吸引力中夺走电子。如果拥有更高的能量，你甚至可以剥开原子核，得到质子和中子。然而这仍非终点，如果你有能力继续提高能量（求助于大型对撞机吧！），还可以剥开质子和中子，得到夸克（quark）。迄今为止，人类还无法剥开夸克，也没有发现夸克的任何内部结构。日取其半，已经无物可取了。

在“粉碎原子”时，我们得到了原子核和电子。迄今为止，人类还无法剥开电子，也没有发现电子的任何内部结构。这种现象（无法继续剥开粒子）就是判断粒子是否属于“基本粒子”的标准。

无论从什么物体开始，无论它是什么材料，只要不断提高能量，层层剥开，最终它都会“粉碎”成夸克和电子，无一例外。

如果坚持阅读下去，你会遇见为数众多、名称各异的粒子。但记住，万变不离其宗，如果剥开它们，只会得到少数几种基本粒子（图5）。

图5  标准模型的基本粒子

【三代12个费米子（夸克和轻子，每个均有反粒子）以及四个规范玻色子。为了解释质量起源，引入希格斯玻色子。（棕色区域表示相应规范玻色子可以与区域内的费米子耦合。）】

电子属于轻子（lepton），轻子是一类基本粒子的总称。μ 子（muon，读作渺子）和τ 子（tau，读作陶子）也属于轻子，它们和电子相似，但质量更大。除此之外，轻子还包括三种中微子。中微子特立独行，几乎不和任何物质相互作用，但它们比比皆是，不可胜数。太阳就是一个巨大的中微子源，每秒钟约有一千万亿个来自太阳的中微子从你的身体穿越而过！夸克组成了另一类基本粒子。正如轻子有六个成员，夸克也有六种，分别为上夸克（up）、下夸克（down）、奇异夸克（strange）、粲夸克（charm）、底夸克（bottom）和顶夸克（top），质量依次递增（但名字古怪程度中间最高）。上、下夸克组成了质子和中子。夸克总是禁闭在比它们更大的粒子中，人类从来没有发现自由夸克。由夸克组成的更大粒子通常称作强子（hadron，所以有大型“强子”对撞机，它主要用来对撞质子，偶尔也会用来对撞含有质子和中子的原子核）。

我已经介绍完目前已知的所有物质粒子。每一种粒子都有各自对应的反粒子，并且它们通过作用力相互作用——吸引、排斥或者散射（图6）。粒子之间的作用力不能凭空产生，需要由介质传递，而另一类粒子，矢量玻色子（vector boson），扮演着介质的角色。

图6  大自然的四种基本互相作用及其性质

电磁相互作用（电磁力）由光子（photon，光的量子）传递，作用于带电粒子，即中微子以外的所有粒子。

强相互作用（强力）由胶子（gluon）传递，作用于夸克。

弱相互作用（弱力）由W和Z 玻色子传递，作用于所有粒子。

标准模型若要真正发挥作用，尤其是让基本粒子获得质量，就必须引进另一种全新的粒子——希格斯玻色子（Higgs boson）。

或许你已经注意到，怎么一直不见提起我们最熟悉的引力？不幸的是，目前的标准模型中还没有引力的一席之地。引力由爱因斯坦的广义相对论描述，而迄今为止物理学家对广义相对论的量子化仍然束手无策。

内容选自《希格斯粒子是如何找到的?》。