尋找希格斯粒子

粲先生

我們的世界是由什么構(gòu)成的？

這是一個(gè)從文明誕生之初就一直伴隨著人類的問題。隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，直到最近兩個(gè)世紀(jì)，這個(gè)問題才逐漸有了準(zhǔn)確的答案。

19世紀(jì)的化學(xué)家發(fā)現(xiàn)，世界萬物都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)元素都由原子組成;而每一個(gè)原子都包含了一個(gè)位于原子中心的原子核和若干個(gè)核外的帶負(fù)電的電子;每一個(gè)原子核則由不同數(shù)目的帶正電的質(zhì)子以及電中性（正負(fù)電荷平衡）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，小到什么程度呢？每1克物質(zhì)，都包含了將近1億億億個(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)六七十年代，科學(xué)界逐漸意識(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)組成的。預(yù)言這種次級(jí)結(jié)構(gòu)的美國物理學(xué)家、1969年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主莫里·蓋爾曼（ 19292019）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“夸克”。

而在質(zhì)子與中子中，夸克之間的相互作用力則是由另外8種不同的粒子所傳遞的。這8種傳遞夸克間作用的粒子統(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“黏”在一起。

在質(zhì)子與中子中，夸克所占的質(zhì)量大約只有總質(zhì)量的1%，其余99%的質(zhì)量都來自在夸克間飛來飛去的膠子的能量。在微觀、高速的世界里，質(zhì)量已經(jīng)不再是物質(zhì)的基本屬性，能量正在通過某種“交易”機(jī)制成為質(zhì)量。

那么，物質(zhì)最初的質(zhì)量是從哪里來的呢？在20世紀(jì)五六十年代蓬勃發(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題。這一時(shí)期的理論認(rèn)為，量子場(chǎng)所激發(fā)出的粒子應(yīng)該是沒有質(zhì)量的。沒有質(zhì)量的粒子應(yīng)該像光子一樣，永遠(yuǎn)以光速傳播，并且可以傳播向無限遠(yuǎn)，然而在現(xiàn)實(shí)中，科學(xué)家從未觀測(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，比利時(shí)理論物理學(xué)家、201 3年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主弗朗索瓦·恩格勒（1932）和比利時(shí)理論物理學(xué)家羅伯特·布繞特（ 1928-2011），以及英國物理學(xué)家、2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主彼得·希格斯（1929）分別發(fā)表了2篇文章，指出假設(shè)存在一個(gè)無處不在的場(chǎng)（后被稱為“希格斯場(chǎng)”），那么，在希格斯場(chǎng)中前行的其他粒子，就像在泥沼中跋涉、腿腳變得沉重的旅人，會(huì)在與希格斯場(chǎng)的相互作用中獲得質(zhì)量，這一機(jī)制被稱為“希格斯機(jī)制”。

希格斯機(jī)制賦予了世間萬物質(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。

希格斯機(jī)制在提出之初并沒有馬上贏得物理學(xué)界的信任。直到3年之后，美國物理學(xué)家、1979年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主史蒂芬·溫伯格等人在開始嘗試搭建粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型時(shí)，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)界開始了長達(dá)近半個(gè)世紀(jì)的對(duì)希格斯粒子的狩獵。

01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，給它們極高的運(yùn)動(dòng)能量，然后讓兩束相向運(yùn)動(dòng)的粒子瞄準(zhǔn)一個(gè)點(diǎn)對(duì)撞，在撞擊的一瞬間，粒子的動(dòng)能就能全部釋放出來。這一瞬間，一部分能量就能通過與質(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)過程中被創(chuàng)造出來。

在20世紀(jì)的最后10年，歐洲和美國其實(shí)各自運(yùn)行著一臺(tái)曾被寄予厚望尋找希格斯粒子的對(duì)撞機(jī)。然而十分遺憾，因能量仍不夠高，以及收集到的數(shù)據(jù)內(nèi)容過于復(fù)雜等原因，這兩臺(tái)曾在粒子物理的其他領(lǐng)域發(fā)揮過重要作用的對(duì)撞機(jī)，最終都未能找到希格斯粒子。

但其實(shí)早在1986年，美國的粒子物理學(xué)家就完成了對(duì)另一臺(tái)更加宏偉的對(duì)撞機(jī)的設(shè)計(jì)，它就是周長達(dá)到80多千米的超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)（ Superconducting Super Collider，簡(jiǎn)寫為SSC）。1990年，它在美國得克薩斯州破土動(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)過程中集結(jié)?？墒敲径噔兜腟SC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、總統(tǒng)換屆、國際空間站項(xiàng)目競(jìng)爭(zhēng)等內(nèi)外變故之后，其建設(shè)之路變得愈發(fā)坎坷，并最終于1993年年底被美國國會(huì)叫停。美國科學(xué)家在尋找希格斯粒子的道路上

發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的示意圖。在巨大的背景干擾信號(hào)中，位于橫軸120和130之間的紅色小鼓包就是希格斯粒子的信號(hào)戛然止步。

在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手SSC項(xiàng)目被取消后，歐洲終于不再猶豫。1994年，歐洲核子中心的各成員國毫無懸念地投票通過了大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider，簡(jiǎn)寫為LHC）的建設(shè)計(jì)劃，并在2 1世紀(jì)的第一個(gè)10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。正如大家所期待的那樣，LHC迅速且高效地收集了大量粒子對(duì)撞的數(shù)據(jù)，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)也馬不停蹄地開始了這些數(shù)據(jù)的分析工作。

2012年7月4日，是這一年的國際高能物理大會(huì)開幕的日子，也是值得科學(xué)界銘記的一天。這一天，位于日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心舉辦了一場(chǎng)面向全球直播的、特殊的報(bào)告會(huì)。會(huì)上，兩個(gè)在LHC的合作組分別宣布，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)量十分龐大，因此他們認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)誤判的可能性只有幾百萬分之一。

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，兩位耄耋之年的老人，激動(dòng)之情溢于言表。經(jīng)過了近半個(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。

02捕捉希格斯粒子

2007年，我國的網(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。野生華南虎曾被認(rèn)為已經(jīng)絕跡，這張照片則讓動(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，這只不過是一場(chǎng)由偽造的照片掀起的鬧劇。

但是，假設(shè)在另一個(gè)平行宇宙的故事中，一張森林照片中拍攝到了真實(shí)的華南虎，那這張照片無疑就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，就像是在茂密森林中拍攝到的華南虎。

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，能夠產(chǎn)生希格斯粒子的事件只是所有被記錄的粒子對(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、復(fù)雜的粒子衰變大森林，物理學(xué)家在這片“森林”中不僅能找到希格斯粒子這只華南虎，還能找到大量其他有意義的事件。幸運(yùn)的是，大自然不會(huì)偽造照片，盡管科學(xué)家在這片粒子衰變森林的照片中，看到的希格斯粒子的身影很小，但已經(jīng)足夠讓科學(xué)家確信，那只藏了半個(gè)世紀(jì)的“老虎”，它就在那兒。

雖然巨大照片中的渺小身影能告訴科學(xué)家“老虎”就在那里，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，捉一只回來看看或許才是更好的辦法。對(duì)粒子物理學(xué)家來說，還真有類似“捉回來看看”的辦法，那就是借助正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。雖然都被稱為“對(duì)撞機(jī)”，但它與前文提到的LHC和SSC相比，其實(shí)是兩類不同的研究工具。

LHC和SSC是強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，它們依靠超高的能量和復(fù)雜的物理過程，產(chǎn)生大量不確定的對(duì)撞產(chǎn)物，科學(xué)家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，一個(gè)科學(xué)家感興趣的事件，在另一個(gè)科學(xué)家看來，可能就是干擾。而目標(biāo)粒子的很多特征也會(huì)被淹沒在大森林異常豐富的干擾中，使這種尋找目標(biāo)粒子的過程變得非常艱難。

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，是一個(gè)“大力出奇跡”的過程;正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的對(duì)撞產(chǎn)物則如同流水線產(chǎn)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”。

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，但對(duì)它的了解并不透徹。2012年，科學(xué)家在LHC上發(fā)現(xiàn)希格斯粒子并確定了產(chǎn)生希格斯粒子所需的能量后不久，我國和歐洲的科學(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。在未來的希格斯粒子工廠中，希格斯粒子也會(huì)如流水線上的產(chǎn)品一般被生產(chǎn)出來。彼時(shí)，科學(xué)家對(duì)希格斯粒子的研究，就可以像研究籠中的老虎一樣清晰、準(zhǔn)確且全面。

05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，并嘗試在其中搭建“粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型”的同時(shí)，另一批科學(xué)家正向著時(shí)間與空間尺度上的另一個(gè)極端探索。

在過去的一個(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)溫度無限高、無限致密的點(diǎn)，而它的尺度一直在膨脹。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有質(zhì)量，真空中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，宇宙的溫度開始極速下降。希格斯場(chǎng)的存在促使了粒子核內(nèi)兩種相互作用力與電磁力分離，這個(gè)過程就像是一杯混合雞尾酒飲料在冷凍凝結(jié)的過程中，不同的成分在不同溫度下分別從飲料中析出。而基本粒子也在這時(shí)候獲得了質(zhì)量。

大爆炸模型中，宇宙在年齡小于一億億億億分之一秒的這段時(shí)間里，經(jīng)歷過一段突然加速膨脹的時(shí)期，尺度從遠(yuǎn)小于1個(gè)質(zhì)子的大小膨脹到了1個(gè)拳頭的大小，這個(gè)時(shí)期被稱為“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)。

宇宙誕生之初就存在的這個(gè)量子場(chǎng)，是不是就是希格斯粒子的波瀾？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，我國的希格斯粒子工廠——環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（Circular Electron Positron Collider，簡(jiǎn)寫為CEPC）的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)完成了《概念設(shè)計(jì)報(bào)告》。兩個(gè)月后，歐洲的希格斯粒子工廠——未來環(huán)形對(duì)撞機(jī)（ Future CircularCollider，簡(jiǎn)寫為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)界未來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，中國將有望在希格斯粒子的狩獵游戲中獲得10年的時(shí)間優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)前，歷史的發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)到了更廣泛的科學(xué)合作成為科學(xué)研究的主流的階段，無論我國還是歐洲，無論誰建設(shè)了希格斯粒子工廠，科學(xué)家都會(huì)在全球范圍內(nèi)開展合作，共同向人類的認(rèn)知極限發(fā)起挑戰(zhàn)，也會(huì)因此在人類不斷前進(jìn)的認(rèn)知宇宙的歷史車輪上，刻下最深刻的印記。

本文內(nèi)容來自《科學(xué)24小時(shí)》2020年第10期