打開盒子那一刻

在2012年6月15日下午，同事郭家銘寄來一封電子郵件，揭開了我研究生涯中最激動的兩周。郭家銘的郵件內(nèi)容僅有短短的三行，說“盒子已經(jīng)打開，125GeV處確有信號?！弊詈?，他又加了一句，要我絕對保密。郵件內(nèi)容雖然簡單，但對一個從事量子物理實驗30年的人來說，卻是驚心動魄的。

所謂“盒子打開”，是數(shù)據(jù)分析的一個手法，目的在于避免研究人員看到未成熟的結(jié)果，有了預期心理，而開發(fā)出帶有偏見的分析方法。所以在數(shù)據(jù)分析的初期，不準大家提早做出最后的結(jié)果，直到分析方法都完善了，不再更動，才“打開盒子”，看結(jié)果如何。

6月15日是預定打開希格斯粒子盒子的日子，郭家銘的郵件說的就是尋找希格斯粒子已有結(jié)果。我馬上想到的是，希格斯粒子終于露出狐貍尾巴，標準模型再也不是一個不完整的理論了，大筆的投資也不再是無意義的浪費。我內(nèi)心興奮之余，也立刻浮現(xiàn)無數(shù)的疑問，過去幾次傳出希格斯粒子的消息，后來都證實是由于統(tǒng)計漲落，甚至是分析方法錯誤造成的，這次是否又重演類似的結(jié)果？這個問題是所有物理學家都縈繞在心頭的。

對于從事量子物理實驗的科學家來說，尋找希格斯粒子可說是過去20年來整個加速器實驗發(fā)展的主要動力。自從大型電子正子對撞機（LEP）測量了Z玻色子和W玻色子的質(zhì)量與特性后，標準模型所描述的粒子世界只剩下希格斯粒子還被包圍在種種未解謎團之中。其間雖然有頂夸克和γ微中子的發(fā)現(xiàn)，對我而言都遠比不上希格斯粒子重要，主要原因是這兩個粒子是所謂的序列粒子，同一序列的其他粒子早就被發(fā)現(xiàn)了，因此大多數(shù)物理學家相信發(fā)現(xiàn)它們只是早晚的事。反觀希格斯粒子是唯一自旋為零的基本粒子，又關系到最神秘的“質(zhì)量”來源，理論的不確定性很大。標準模型對希格斯粒子的描述斧鑿痕跡很重，不像其他部分那么渾然天成。我們相信一定存在著某種機制來解決質(zhì)量的問題，但不能確定大自然是否選擇希格斯、翁勒與布饒?zhí)氐热嗽?5年前所提的方案。

LHC和之前的探測器，在設計之初就把偵測希格斯粒子當做第一要務。理論學家告訴我們，希格斯粒子的動能應該小于1兆電子伏特，否則標準模型無法自圓其說。換句話說，在1兆電子伏特以下找不到希格斯粒子，就該發(fā)現(xiàn)我們沒有想到的其他新現(xiàn)象。因此，LHC的對撞能量設定在14兆電子伏特，足以產(chǎn)生1兆電子伏特的希格斯粒子，而偵測器設計也針對它的各種衰變模式量身打造。

CMS偵測器實驗團隊還建造了前置簇射探測器，它是專門針對希格斯粒子衰變成兩個高能光子的模式設計的。同時，LHC的物理分析也一直以搜尋希格斯粒子的能力為主要的優(yōu)化指標。在LHC開始運轉(zhuǎn)前，我們早就根據(jù)標準模型，把各種可能的衰變模式通過仿真軟件仔細研究，針對不同的質(zhì)量找出了最適宜的分析方案。

另外，理論學家也提出不少非標準的希格斯粒子，他們預測了很不同的衰變模式和產(chǎn)生機率，我們也都一一模擬。我想總有上百種衰變模式和分析方法被仔細研究過，這大概是未發(fā)現(xiàn)前被研究得最透徹的一個粒子了。這次的發(fā)現(xiàn)相當符合先前的預期，許多實驗同仁不免慨嘆，自然界竟然沒有給我們?nèi)魏误@奇，一切按照理論學家的預期進行，實在有點“反高潮”。不過這還言之過早，要確定這個新粒子的一切吻合希格斯的預測，我們還有很長的路要走。