寻找上帝粒子

什么是希格斯理论和希格斯粒子呢？

希格斯教授

希格斯是英格兰的著名物理学家，20世纪60年代任教于英国皇家学院，当时他已知道南部的自发破缺的思想。后来他改而任教于剑桥大学，进一步了解哥德斯通的工作。哥氏宣称，当某种场对称性产生自发破缺以后，就会在其中产生质量为零的粒子，人们现称为哥德斯通粒子（固体物理中的元激发，如声子、磁子等）。希氏将这些内容与局域规范对称联系起来，利用他引入的所谓希格斯粒子，结果大吃一惊，发现此时居然会使原来没有质量的规范粒子出现质量。有人简单地形容为，规范粒子吃掉了希格斯粒子而获得质量。但是希格斯这些突破性的工作在发表时遇到麻烦，他的第一篇文章发表了，第二篇则遭到了退稿。

温伯格荣获1979年诺贝尔物理学奖

美国科学家温伯格一看到希格斯的文章大为赞叹！首先他将此应用于强相互作用，讨论π介子，收获甚微。后来他将希格斯机制应用弱电理论，神效立见。W+W﹣、Z0“吃掉”希格斯粒子获得质量，而局域对称性依然保持。按照这种机制，希格斯玻色子是物质的质量之源，是电子和夸克等形成质量的基础。其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。

目前，标准模型预言的所有粒子都顺利发现，唯独希格斯粒子至今尚待发现。由于希格斯粒子在标准模型里实际上是所有有静止质量粒子获得质量的关键所在，就是说，我们宇宙所有的物质的质量都是由希格斯粒子而获得的，其重要性不言而喻。1993年有科学家戏称希格斯粒子为“上帝粒子”，但是希格斯本人并不赞成这种叫法，认为这种叫法有损于宗教徒的感情，尽管希格斯并不是教徒。

寻找希格斯粒子的实验早就开始了。欧洲核子中心的正负电子对撞机（LEP）在20世纪90年代运行以后，他们进行了很多精密的测量，在2000年该设备停止运行，可惜的是一直没有找到希格斯粒子存在的直接证据。但是他们的测量表明，如果希格斯粒子存在的话，其质量至少比120个质子还重。换言之，他们的实验确定希格斯粒子质量的下限为120个质子。

美费米实验室质子—反质子对撞机（Tevatron），位于美国伊利诺伊州巴达维亚附近的草原上，是世界上目前运行能量第二高的粒子对撞机。其所在的费米实验室是美国最大的高能物理实验室，也是世界上仅次于欧洲核子研究中心的第二大实验室。但在2008年9月欧洲核子研究中心的LHC建成之后，Tevatron显得日渐尴尬，因为其产生的最高能量不过LHC的七分之一，当然相关研究人员都将LHC作为第一选择。为摆脱困境，费米实验室一方面加强与LHC的合作，尽可能使研究人员实时获得欧洲核子研究中心的实验数据；另一方面也在试图转型，寻求新的研究领域，甚至筹划建造新的加速器。

费米实验室力图再维持Tevatron加速器运行3年，以便抢在欧洲同行之前找到希格斯玻色子，但美梦终成泡影。美国能源部于2011年1月11日正式宣布不再提供资金，Tevatron面临即将关闭的命运。LHC则成为了寻找希格斯玻色子的唯一希望。然而，不幸中的大幸是，他们探索的结果，再结合斯坦福直线加速器中心的类似测量，得到了希格斯粒子存在的间接证据：最轻的希格斯粒子质量，小于200倍的质子质量。这一结论的前提是仅仅考虑粒子与最轻的希格斯粒子的相互作用。换言之，他们预言了希格斯粒子质量的上限为200倍质子。

Tevatron与LEP的工作没有找到希格斯粒子存在的直接证据，但是却大致确定了如果希格斯粒子存在，最轻的希格斯粒子质量大致为120～200倍质子质量（1吉电子伏）。于是，全世界科学家都聚焦于欧洲大型强子对撞器（LHC），其能量达到14000吉电子伏，北京时间2008年9月10日下午15：30正式开始运作，成为世界上最大的粒子加速器设施。大型强子对撞机的精确周长是2.6659万米，内部总共有9300个磁体。大型强子对撞机是世界上最大的粒子加速器。但在2008年9月19日，LHC第三与第四段之间用来冷却超导磁铁的液态氦发生了严重的泄漏，导致对撞机暂停运转。经过科学家检查修复后，于2009年11月20日恢复运行，很快就得到了一批珍贵实验资料。科学家已经对希格斯粒子的质量范围缩小到114～149吉电子伏/c2。

2000年，科学家通过欧洲核子研究中心（CERN）的大型正负电子对撞机（LEP）上积累的数据判定“希格斯粒子”的质量不会小于114吉电子伏c2；2009年8月，间接测量排除“希格斯粒子”的质量在186吉电子伏/c2之上；2010年7月，费米实验室万亿电子伏加速器上的CDF和DO探测器上积累的数据足以排除“希格斯粒子”质量在158～175吉电子伏/c2；2011年7月又把“希格斯粒子”被排除的区间扩大为156～177吉电子伏/c2；2011年7月，欧洲大型强子对撞机（LHC）的ATLAS和CMS实验小组又分别排除希格斯粒子质量在“155～190吉电子伏/c2”和“149～ 206吉电子伏c2”。

质子对撞后形成的运动轨迹效果图

好消息终于传来，欧洲核子研究中心2012年7月4日在瑞士日内瓦和澳大利亚墨尔本召开“高能物理跨洲视频会议”，欧洲核子研究中心主管罗尔夫·豪雅在会议上表示，他们发现了一种新的粒子，而这种粒子很可能就是寻找多年的“上帝粒子”——希格斯玻色子。“上帝粒子”将是人类认识宇宙的一面最直接的镜子：因为如果作为质量之源的它确实存在，物理学家就可能因此推测出宇宙大爆炸时的情景以及占宇宙质量96%的暗物质（包括暗能量）的情况。

这种粒子存在时间极短，无法被直接观测到，物理学界一直利用其最后衰变的光子等其他粒子的运行规律，反推它们是什么粒子衰变而成的。

发言人乔·因坎德拉在会议上演示了观测数据，并给出了根据该数据进行运算的最终结果。根据双光子事件、双Z玻色子和4轻子事件的观测结果证明，欧洲核子中心已经观测到了一种新的粒子，“虽然是初步的结果，但数据很给力！”乔表示，该玻色子质量在125.3吉电子伏，置信区间为5个标准差，即有99.99994%的可信度表明该粒子存在。根据此前顶夸克发现的前例，发现该粒子时，置信区间也是5个标准差，可以宣布发现了新粒子。

另一个课题组费碧欧拉女士表示，他们也发现了新的玻色子，质量为126.5吉电子伏，置信度为5个标准差。但她表示，这只能证明观测到了新的粒子，究竟是不是希格斯玻色子还有待确认。但是给出的数据表明，观测的新粒子与标准模型里的希格斯玻色子相符的置信度已经达到了4.6个标准差——相当接近可以宣称为发现的5个标准差了！

希格斯玻色子理论的创始人彼得·希格斯教授也应邀出席了会议，这位83岁的英国老人兴奋得像个孩子，他向欧洲核子中心表示祝贺，他说，“很高兴我能活着看到这一天的到来”。理论物理学家霍金认为，人类在很长一段时间内不可能发现希格斯玻色子。不过，他为此打赌的100美金还没有输掉，因为今天的会议依然无法最后证实，人们发现的粒子无疑就是希格斯玻色子。

乔和费碧欧拉在会后的新闻发布会上反复向媒体表示，今天的结果只能证明我们发现了符合标准模型的新玻色子，这种玻色子究竟是什么还无法确认，但罗尔夫·豪雅表示，“我们发现的是一种新粒子，这才是让我们激动的地方”。课题小组也在其网站上表示，虽然我们发现了符合希格斯玻色子基本模型的粒子，但并没有确认发现希格斯玻色子，因为我们仅仅关注了该粒子的质量本身，它可能是其他具有该质量的粒子。为了确认所发现的就是希格斯玻色子，我们还需要确认它的自旋为0、正确的耦合比等。这些将是我们今后的工作，但这个发现依然让人激动。正如欧洲核子研究中心官方宣称的那样：“希格斯玻色子触手可及”“我们对宇宙的理解，将要改变！”。在2013年，欧洲核子中心的科学家正式宣布发现希格斯粒子。这一下霍金终于输掉了他的赌注100美元。

作为科学佳话，我们指出，霍金颇为“好赌”，而且每赌必输。他在20世纪90年代，与美国加州大学教授索恩因为黑洞信息佯谬打赌故事最为著名。霍金主张信息在黑洞蒸发中消失，而与他持相同观点的是大胡子索恩，持有相反主张的则是加州理工学院的另一位教授普雷斯基尔，后者认为黑洞可以释放隐藏在其内部的信息。他们在1997年立据打赌，赌注是1本《棒球百科全书》。研究和天文观察表明，霍金是错误的。1997年7月21日，霍金正式认输，但是赌注改变了，霍金说：“我在英国很难找到一本《棒球百科全书》，只能用《板球百科全书》代替了”。

霍金除了与上面提到的索恩等“豪赌”以外，还有过3次“豪赌”：第一回，赌天鹅座X-1双星是否包含黑洞；第二回，赌宇宙中有没有裸奇点；第三回，赌的则是黑洞会不会彻底抹杀信息。三赌皆输。最近一回是他与美国密歇根大学的物理学家戈登·凯恩打赌，认为所谓“上帝粒子”——希格斯粒子不会被发现。2012年当欧洲核子研究中心宣布基本上（2013年3月他们取消了基本上三个字）发现了这种粒子。霍金在接受英国广播公司采访时表示：“这是一个重要的发现，应该能带给希格斯一个诺贝尔奖”同时他也风趣地提到了自己的小小“失落”：“我曾经和美国密歇根大学的凯恩教授打赌，认为希格斯玻色子不会被找到，看来我刚刚输掉了100美元。”实际上，这已经是霍金输掉的第四个赌了。我们不得不承认，霍金具有从善如流的美德。

标准模型示意图

总之，标准模型王冠上的钻石，希格斯粒子，这位漂流在外的游子终于返归基本粒子大家族之中了。标准模型预言的62种基本粒子，看来终于可以大团圆。不要忘记中微子极小的质量正是希格斯粒子所给予的。