尋找上帝粒子：一場(chǎng)漫長(zhǎng)的狩獵游戲

陳繕真

“我們的世界是由什么構(gòu)成的？”這是一個(gè)從人類文明誕生之初就一直被人類追尋的問(wèn)題，但直到最近兩個(gè)世紀(jì)，隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，才逐漸有了準(zhǔn)確的答案。19世紀(jì)的化學(xué)家發(fā)現(xiàn)，世界中的萬(wàn)物都可以由幾十種不同的化學(xué)元素組合而成。到了20世紀(jì)30年代，物理學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，每一種化學(xué)元素都是由原子組成的。每一個(gè)原子都包含了一個(gè)位于原子中心的原子核，以及若干個(gè)核外的帶負(fù)電的電子。每一個(gè)原子核則是由不同數(shù)目的帶正電的質(zhì)子以及電中性的中子構(gòu)成。

在原子中，質(zhì)子與中子的質(zhì)量占據(jù)了原子質(zhì)量的絕大部分。而質(zhì)子與中子的質(zhì)量非常之小，以至于每一克物質(zhì)，都包含了將近一億億億個(gè)質(zhì)子或中子。

雖然質(zhì)子與中子如此之小，但它們?nèi)匀徊皇侨祟愇⒂^探索之旅的終點(diǎn)。20世紀(jì)60-70年代，科學(xué)家們逐漸意識(shí)到，質(zhì)子與中子仍然有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。每一個(gè)質(zhì)子或者中子都是由3個(gè)更小的次級(jí)結(jié)構(gòu)組成。預(yù)言這種次級(jí)結(jié)構(gòu)的科學(xué)家莫里·蓋爾曼有著一種科學(xué)宅男獨(dú)有的幽默，他模仿鴨子的叫聲，將這種結(jié)構(gòu)命名為了“夸克”。

在質(zhì)子與中子內(nèi)，夸克之間的相互作用力是由另外8種不同的粒子所傳遞的。這8種傳遞夸克之間作用的粒子統(tǒng)稱為“膠子”。就像它的名字所暗示的那樣，膠子可以將質(zhì)子或中子里的3個(gè)夸克“粘”在一起。

在質(zhì)子與中子內(nèi)，夸克所占的質(zhì)量只有大約1%，其余99%的質(zhì)量都來(lái)自于在夸克間飛來(lái)飛去的膠子的能量。在微觀和高速的世界里，質(zhì)量已經(jīng)不再是物質(zhì)的基本屬性，能量則可以通過(guò)某種“交易”機(jī)制成為質(zhì)量。

然而，最初的質(zhì)量是從哪里來(lái)的？在20世紀(jì)50-60年代蓬勃發(fā)展的粒子物理的理論模型中，質(zhì)量的起源一直是最棘手的問(wèn)題。這一時(shí)期的理論認(rèn)為，量子場(chǎng)所激發(fā)出的粒子是沒(méi)有質(zhì)量的。然而，沒(méi)有質(zhì)量的粒子應(yīng)該像光子一樣，永遠(yuǎn)以光速傳播，并且可以傳向無(wú)限遠(yuǎn)。但現(xiàn)實(shí)中科學(xué)家卻從未觀測(cè)到這樣的粒子，這就與這一時(shí)期的理論相矛盾。

直到1964年，弗朗索瓦·恩格勒和羅伯特·布繞特，以及彼得·希格斯分別發(fā)表了2篇文章，指出如果假設(shè)存在一個(gè)無(wú)處不在的場(chǎng)——也就是日后被稱為“希格斯場(chǎng)”的場(chǎng)，那么其他粒子在希格斯場(chǎng)中前行就會(huì)像是在泥沼中跋涉的旅人，可以通過(guò)與希格斯場(chǎng)的相互作用獲得質(zhì)量。而這一機(jī)制則被稱為“希格斯機(jī)制”。

就像是西方宗教故事中上帝創(chuàng)造了世間萬(wàn)物一樣，希格斯機(jī)制賦予了世間萬(wàn)物的質(zhì)量。而希格斯粒子就像是希格斯場(chǎng)自身的漣漪，能證明希格斯機(jī)制的存在。美國(guó)科學(xué)家利昂·萊德曼因此將希格斯粒子稱之為“上帝粒子”。

希格斯機(jī)制在被提出之初并沒(méi)有馬上贏得物理學(xué)家們的信任。直到3年之后，史蒂芬·溫伯格等人在嘗試開(kāi)始搭建粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型的時(shí)候才意識(shí)到希格斯機(jī)制在標(biāo)準(zhǔn)模型中的重要性。從此，粒子物理學(xué)界開(kāi)始長(zhǎng)達(dá)將近半個(gè)世紀(jì)的對(duì)希格斯粒子的狩獵。

希格斯粒子現(xiàn)形

目前，粒子物理學(xué)家尋找新粒子的終極武器就是對(duì)撞機(jī)。科學(xué)家將粒子加速，給予它們極高的運(yùn)動(dòng)能量，然后將兩束相向運(yùn)動(dòng)的粒子瞄準(zhǔn)一個(gè)點(diǎn)對(duì)撞，那么在一瞬間，粒子的動(dòng)能就能全部釋放出來(lái)。這一瞬間，一部分能量就能通過(guò)與質(zhì)量的“交易”機(jī)制轉(zhuǎn)換成質(zhì)量。而新的粒子，就有可能在這個(gè)過(guò)程中被創(chuàng)造出來(lái)。

在20世紀(jì)的最后10年，歐洲和美國(guó)其實(shí)已經(jīng)各自運(yùn)行著一臺(tái)曾被寄予尋找希格斯粒子希望的對(duì)撞機(jī)。然而，由于能量仍不夠高，以及收集到的數(shù)據(jù)內(nèi)容過(guò)于復(fù)雜等原因，這兩臺(tái)曾在粒子物理其他領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用的對(duì)撞機(jī)都未能最終找到希格斯粒子。

但是早在1986年，美國(guó)的粒子物理學(xué)家就完成了另一臺(tái)更加宏偉的對(duì)撞機(jī)的設(shè)計(jì)，它就是周長(zhǎng)達(dá)到80多千米的超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)（SSC）。1990年，它在美國(guó)得克薩斯州開(kāi)始破土動(dòng)工。到了1993年，已經(jīng)有上千名物理學(xué)家和工程師在SSC的建設(shè)過(guò)程中集結(jié)。

可是命途多舛的SSC在經(jīng)歷了臨陣改變?cè)O(shè)計(jì)，以及冷戰(zhàn)對(duì)抗結(jié)束、民主黨總統(tǒng)上臺(tái)、國(guó)際空間站項(xiàng)目競(jìng)爭(zhēng)等內(nèi)外變故之后愈發(fā)坎坷。它終于在1993年年底被美國(guó)國(guó)會(huì)叫停。美國(guó)科學(xué)家在尋找上帝粒子道路上的步伐也戛然而止。

在美國(guó)的對(duì)撞機(jī)被取消之后，歐洲終于決定不再猶豫。1994年，歐洲核子中心的各成員國(guó)毫無(wú)懸念地投票通過(guò)了LHC建設(shè)計(jì)劃，并在新世紀(jì)的第一個(gè)十年內(nèi)完成了LHC的建設(shè)與調(diào)試工作。2009年年底，強(qiáng)大的LHC完成了它的第一次對(duì)撞。正如科學(xué)家們所期待的那樣，LHC迅速且高效地收集了大量的粒子對(duì)撞的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，科學(xué)家們也在馬不停蹄地進(jìn)行著對(duì)收集到的數(shù)據(jù)的分析工作。

2012年7月4日，是這一年的國(guó)際高能物理大會(huì)開(kāi)幕的日子，也是值得被科學(xué)界銘記的一天。這一天，在位于日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心舉辦了一場(chǎng)特殊的向全球直播的報(bào)告會(huì)。在這場(chǎng)報(bào)告會(huì)上，兩個(gè)在LHC上工作的合作組分別宣布了他們發(fā)現(xiàn)了“像是希格斯粒子的信號(hào)”。由于LHC的數(shù)據(jù)量如此之大，他們認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)誤判的可能性只有幾百萬(wàn)分之一。

原子內(nèi)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的示意圖

此時(shí)，距離恩格勒、布繞特和希格斯等人提出希格斯機(jī)制已經(jīng)過(guò)去了48年。當(dāng)時(shí)，仍然在世的恩格勒和希格斯也出現(xiàn)在了日內(nèi)瓦的會(huì)場(chǎng)上，兩位耄耋老人的激動(dòng)之情溢于言表。經(jīng)過(guò)了接近半個(gè)世紀(jì)的努力，人類終于發(fā)現(xiàn)了這個(gè)關(guān)乎質(zhì)量起源的粒子。

捕捉希格斯粒子

2007年，我國(guó)的網(wǎng)絡(luò)上流傳著這樣一則新聞：一位陜西的農(nóng)民拍攝到了一張野生華南虎的照片。輿情在當(dāng)年的網(wǎng)絡(luò)上快速發(fā)酵，這是因?yàn)?，野生華南虎曾被認(rèn)為已經(jīng)絕跡，而這張照片讓動(dòng)物保護(hù)者重拾了希望。然而，事情的結(jié)局正如大家所知道的那樣，這只不過(guò)是一場(chǎng)偽造照片所掀起的鬧劇。

但是，假設(shè)在另一個(gè)平行的故事之中，有一張照片拍攝到了真實(shí)的華南虎，那這張照片將無(wú)疑會(huì)是野生華南虎存在的重要證據(jù)。在LHC上發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子，就像是一張拍攝有茂密森林的照片中出現(xiàn)了華南虎的身影。LHC是一臺(tái)能量巨大、用途廣泛的對(duì)撞機(jī)，它的對(duì)撞產(chǎn)物極其復(fù)雜，而希格斯粒子能夠產(chǎn)生的事件只占所有記錄下的粒子對(duì)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、復(fù)雜的粒子衰變大森林，物理學(xué)家在這片“森林”之中不僅能找到希格斯粒子這只“華南虎”，還能找到大量其他的有意義的事件。幸運(yùn)的是，大自然不會(huì)偽造照片，盡管科學(xué)家在這片森林照片中看到的希格斯粒子的身影很小，但是已足以讓科學(xué)家確信，那只藏了半個(gè)世紀(jì)的“老虎”就在那兒。

然而，雖然巨大照片中的渺小身影能告訴科學(xué)家老虎的存在，但是想要真正清楚地了解這只老虎的生活習(xí)性和健康狀況，捉一只回來(lái)看看或許才是更好的辦法。

對(duì)于粒子物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，還真有一種類似于“捉回來(lái)看看”的辦法，那就是正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。雖然都被稱作“對(duì)撞機(jī)”，但跟前文的LHC和SSC對(duì)撞機(jī)其實(shí)是2類研究工具。LHC和SSC是強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，它們依靠超高的能量、復(fù)雜的物理過(guò)程，產(chǎn)生大量不確定的對(duì)撞產(chǎn)物。接下來(lái)，科學(xué)家們可以在這樣大量的對(duì)撞產(chǎn)物中進(jìn)行復(fù)雜的篩選，挑選出自己感興趣的事件進(jìn)行研究。因此，在強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上研究的課題可以很分散，每一個(gè)科學(xué)家都有自己獨(dú)特的研究興趣，可以在森林中尋找自己所需要的“動(dòng)物”。然而這也導(dǎo)致了，一個(gè)科學(xué)家感興趣的事件，在另一個(gè)科學(xué)家看來(lái)可能就是干擾。因此，在森林中尋找目標(biāo)粒子的過(guò)程非常艱難，而目標(biāo)粒子的很多特征也會(huì)被淹沒(méi)在森林中異常豐富的干擾之中。

發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的圖像之一，在巨大的背景干擾信號(hào)之中，在位于120 和130之間的紅色小鼓包就是希格斯粒子的信號(hào)。發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的圖像之一，在巨大的背景干擾信號(hào)之中，在位于120 和130 之間的紅色小鼓包就是希格斯粒子的信號(hào)。

正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)則不一樣，它們會(huì)運(yùn)行在“合適”的對(duì)撞能量上，并且依靠相對(duì)簡(jiǎn)單的物理過(guò)程，產(chǎn)生大量相對(duì)“干凈”的目標(biāo)粒子。強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的對(duì)撞產(chǎn)物五花八門(mén)，是一個(gè)“大力出奇跡”的過(guò)程。而正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的對(duì)撞產(chǎn)物則如同流水線商品，能給科學(xué)家更清晰的事件信號(hào)，因此，正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)通常被當(dāng)作某一種目標(biāo)粒子的“粒子工廠”。

2007年，曾在網(wǎng)絡(luò)上引起巨大爭(zhēng)議的華南虎事件的照片。

對(duì)于希格斯粒子而言，盡管科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了它，但是對(duì)它的了解還很不透徹。2012年，科學(xué)家在LHC上發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，確定了產(chǎn)生希格斯粒子所需的能量后不久，我國(guó)和歐洲的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)就分別拿出了一套可以作為“希格斯粒子工廠”的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的建設(shè)方案。在未來(lái)的希格斯粒子工廠中，希格斯粒子也會(huì)如流水線上的商品一般被生產(chǎn)出來(lái)，彼時(shí)科學(xué)家對(duì)希格斯粒子的研究就可以像研究籠子中的老虎一樣清晰、準(zhǔn)確且全面。

希格斯粒子的富礦

在粒子物理學(xué)家探究最小的微觀世界，搭建“粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型”的同時(shí)，另一批科學(xué)家在向著時(shí)間與空間尺度的另一個(gè)極端探索前進(jìn)。在過(guò)去的一個(gè)多世紀(jì)里，物理宇宙學(xué)的集大成者是宇宙大爆炸模型。在這個(gè)模型中，我們的宇宙始于大約138億年前一個(gè)無(wú)限致密、溫度無(wú)限高的點(diǎn)，而它的尺度從時(shí)間開(kāi)始起就一直在膨脹。在宇宙早期，物質(zhì)間的各種相互作用力都統(tǒng)一在一起，所有的基本粒子也都沒(méi)有質(zhì)量，而真空中則充滿了由希格斯粒子構(gòu)成的希格斯場(chǎng)。之后，隨著宇宙膨脹，宇宙的溫度開(kāi)始極速下降。希格斯場(chǎng)的存在促使了核內(nèi)存在的兩種相互作用力與電磁力的分離，這個(gè)過(guò)程就像是一杯混合雞尾酒飲料在冷凍凝結(jié)的過(guò)程中，不同成分分別在不同溫度下從飲料中被析出。而基本粒子也在這時(shí)候獲得了質(zhì)量。

在宇宙大爆炸模型中，在宇宙年齡小于一億億億億分之一秒的這段時(shí)間里，宇宙經(jīng)歷過(guò)一段突然加速膨脹的時(shí)期，它的尺度從遠(yuǎn)小于一個(gè)質(zhì)子的大小膨脹到了一個(gè)拳頭的大小，這個(gè)時(shí)期被稱作“暴脹時(shí)期”。宇宙的暴脹似乎是受到了一種新的量子場(chǎng)的影響，而這種場(chǎng)怎么看都有些像是希格斯場(chǎng)。

宇宙創(chuàng)世之初就存在的這個(gè)量子場(chǎng)是不是就是上帝粒子的波瀾？宇宙學(xué)家的模型在數(shù)學(xué)上很美妙，但是在物理上卻很骨感。數(shù)學(xué)模型再怎么美妙都只能是模型，只有被實(shí)驗(yàn)證實(shí)之后才能成為真理。宇宙學(xué)家似乎在另一個(gè)背景下重新發(fā)現(xiàn)了希格斯場(chǎng)，就像是另一批探險(xiǎn)者在森林中發(fā)現(xiàn)了食肉猛獸的腳印。但是，這個(gè)腳印是不是粒子物理學(xué)家拍攝到的“華南虎”？這只有在人類真正地捕捉到照片中的一只猛獸之后，也就是利用新的希格斯粒子工廠對(duì)撞機(jī)更系統(tǒng)地認(rèn)知希格斯粒子之后，一切的理論假設(shè)才能有一個(gè)更堅(jiān)實(shí)的結(jié)論。

2018年年底，我國(guó)希格斯粒子工廠——環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)完成了對(duì)撞機(jī)的《概念設(shè)計(jì)報(bào)告》。而就在此之后的2個(gè)月后，歐洲的希格斯粒子工廠——未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCC）的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)也發(fā)布了他們的《概念設(shè)計(jì)報(bào)告》。由于歐洲粒子物理學(xué)界在未來(lái)20年的工作重心仍然會(huì)在現(xiàn)有的對(duì)撞機(jī)LHC的升級(jí)與運(yùn)行上，中國(guó)在希格斯粒子的狩獵游戲中將有望獲得10年的時(shí)間優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)前，廣泛的科學(xué)合作成為科學(xué)研究的主流。無(wú)論我國(guó)還是歐洲建設(shè)了希格斯粒子工廠，科學(xué)家們都會(huì)在全球范圍內(nèi)通力合作，共同向人類的認(rèn)知極限發(fā)起挑戰(zhàn)。而人類對(duì)于宇宙認(rèn)知的發(fā)展，也會(huì)因此在不斷前進(jìn)的歷史車轍上留下深刻的印記。