寻找上帝粒子

上面的表里，有一个希格斯粒子还没有谈到。这一节就专门讲这个被称为“上帝粒子”（God particle）的规范粒子。

我们已经讲过，杨振宁和米尔斯为了把电磁相互作用的模式用到强相互作用里，提出了规范理论。像电磁场传递电磁相互作用一样，传递相互作用也有一种场，它们被称为规范场；传递这种作用的粒子则被称为规范粒子。这个理论是从电磁作用模式中发展出来的，特别适合于用来统一各种作用。当今各种相互作用的成功理论，都已被证明属于规范理论。

但是，杨—米尔斯规范理论有个问题，即传递相互作用力的规范粒子，其质量却是零，如同光子一样。然而，除了光子以外，实验上从未发现过有任何质量为零的粒子。因此，杨—米尔斯理论有20多年的时间得不到任何实际应用。

1964年，比利时理论物理学家布劳特、昂格勒和爱尔兰爱丁堡大学物理学家希格斯，先后找到了使规范粒子获得质量的途径。不过，由此要求存在一个新的场——希格斯场，并需要一个新的场粒子——希格斯粒子。通俗地说，是规范场的粒子“吃掉”了希格斯粒子而得到了质量。这就像傲来国花果山上的一块仙石，每天吸纳“天地真气，日月精华”，最后这块仙石变成了一个仙猴孙悟空。

在2012年以前，各国物理学家花了很大的财力和精力，一直没有找到希格斯粒子，使它成为非常成功的“标准模型”（standard model）5中唯一没有找到的粒子。“标准模型”是当前描述物质的基本组元及其相互作用的相当成功的理论。根据标准模型，所有的物质都是由夸克和轻子组成的，而夸克和轻子又通过引力、电磁力、弱力及强力这四种力彼此相互作用。弱力和强力只在不超过原子核半径的短距离内产生影响，而引力及电磁力的力程则是无限的，因而也是最熟悉的相互作用力。

标准模型自建立以来，经过过五关斩六将的经历之后，被绝大多数物理学家认为是一个很成功的理论，只有希格斯粒子一直找不到，这当然对标准模型是一个生死考验。在几十年的寻找过程中，也有物理学家并不看好希格斯的理论。例如，前面我们提到过的格拉肖，他把希格斯理论称为“厕所”，我们在里面“冲洗”现存理论的不一致性。其他一些最主要的反对意见，多半是认为几十年的寻找连影子都没有见到，因而觉得可疑。但是持这种态度的物理学家并不多，大多数物理学家认为，希格斯粒子赋予了标准模型以数学上的自恰性，所以相信找到它只是时间上的问题。著名物理学家温伯格在《终极理论之梦》一书中说：

没有人见过希格斯粒子，但这并不跟理论矛盾；例如希格斯粒子的质量比质子质量大50倍（很可能真是这样），那么迄今所做的任何实验都不可能看到它。……我们需要实验告诉我们实际存在一个还是几个希格斯粒子，并告诉我们它们有多大的质量。

显然，温伯格认为：只要能够建造能量更大的加速器，就一定可以找到这个“最后的粒子”。莱德曼把这个最难以找到的粒子戏称为“上帝粒子”，并且在《上帝粒子》一书中，号召物理学家们：“找到希格斯粒子！”他写道：

怎样才能证明希格斯场的存在呢？就像量子电动力学（QED）、量子色动力学（QCD）或者弱力一样，希格斯场有自己的粒子，即希格斯粒子。想证明希格斯粒子的存在吗？找到它吧！标准模型足够强大，它告诉我们质量最低的希格斯粒子必须“轻于”1 TeV（103GeV）。为什么？如果希格斯粒子的质量大于1 TeV，标准模型就会……出现危机。

希格斯场、标准模型和我们对上帝创造宇宙的描绘都依赖于希格斯粒子的发现。不幸的是，地球上没有一个加速器可以提供足够的能量以产生一个重达1 TeV的粒子。

然而，你可以建造一个。

温伯格也有同样的看法，他说：

我们可以相信，当超导超级对撞机建成的时候，我们就能走出僵局。它将具有足够的能量和强度来解决弱电对称破缺机制的问题——也许找到一个或几个希格斯粒子，也许发现新强力的踪迹……那么，超对称也将在超碰撞中产生。……不论哪种情形，粒子物理学都会继续前进。粒子物理学家在绝望中争取超级对撞机，只有那样的加速器产生的数据才能使我们相信我们的事业还将继续下去。

为了找到希格斯粒子，美国、欧洲正在努力建造能量更大的太瓦（tera）级加速器，希望能量达到40TeV。兴建这么巨大的加速器，肯定要投入巨大的人力和财力，风险也是很高的。万一希格斯理论被证明是错误的，会怎么样呢？莱德曼说得好：

那么，我们的标准模型必须进行修改，或者抛弃。这就像哥伦布启程寻找印度群岛一样——他和他的信徒们相信，如果没有达到目的，他也会发现一些别的东西，这些东西可能会更有意义。

也许读者不太理解“粒子物理学家在绝望中争取超级对撞机”的含义和“风险”到底有多大。尽管物理学家信心百倍，但是政府部门对于超导超级对撞机（Superconducting Super Collider，SSC）的建造持十分谨慎的态度。物理学家的热情，并不总是能够感动所有人，尤其是那些能够决定拨款的政府要员。我们这儿回忆一下美国SSC建造所经历的风波也许十分有益。

彼得·希格斯在CERN巨型探测器旁。

1983年，美国物理学家就提出建造SSC，1988年11月10日，美国能源部部长宣布能源部的决定：SSC将落户在得克萨斯州埃利斯县。1989年9月7日，物理学家高兴地得知：参众两院会议委员会同意在1990财政年度为SSC拨款2.25亿美元。SSC计划有希望实现了！于是，拨款，建造……一切似乎都在按照计划顺利前进。但是，天有不测风云。到了1993年6月24日，众议院决定取消对超级对撞机的资助。看来，只有参议院的支持或许能挽救这个计划。

那年夏天，美国各地的物理学家都走出他们的办公室和实验室，来华盛顿为超级对撞机游说。连远在英国的霍金都通过视频录像发送了支持SSC的录像，但是这一切都徒劳无功。1993年9月29日和30日，关于超级对撞机是否留下的争论，达到了戏剧性的高潮。最后，9月30日，参议院以57票对42票通过了超级对撞机所需要的行政总预算（总6.4亿美元）。计划得到了两院会议委员的支持，物理学家的心情好转。可是到了10月19日，希望彻底破灭：众议院以近2∶1的投票否决了委员会的报告。

温伯格对此叹息地说：

尽管所有的建造和挖掘工作都在进行，但我知道对该项目的资助很可能会终止。我能够想象，试验坑洞或许会被填上，而磁铁大楼或许最后只剩下一座空房，伴随着几个农场主的浅淡记忆，为一个曾经计划在埃利斯县建造的、规模宏大的科学实验室做证。也许我处在赫胥黎所谓的维多利亚时代的乐观主义咒语之下，可是我无法相信这种情况会发生；或者说，在我们所处的时代，人们将会放弃寻找大自然的终极定律。

温伯格还叹息地说：“随着超级对撞机的取消……美国似乎想跟任何基本粒子物理学有关的计划永久告别了。”

美国作家赫尔曼·沃克（Herman Work，1915— ）是普利策奖的得主，他基于SSC事件的经历创作了一篇小说。在《德克萨斯的坑洞》（A Hole in Texas）开篇的作者附言中，沃克写道：

自从提出原子弹和氢弹的想法以来，（粒子物理学家）一直是国会娇生惯养的宠儿。但是所有这一切突如其来地结束了。他们探索希格斯玻色子的行动流产了，唯一残留下来的就是得克萨斯的坑洞，一个巨大的、被遗弃的坑洞。

它依然在那儿。

1994年12月16日，距离SSC被取消后一年多一点，欧洲核子研究中心（CERN）的各成员国投票决定，在未来20年内拨款150亿美元，用于LEP6的升级改造，并在它的使用寿命结束时把它变成质子—质子对撞机。

于是寻找希格斯粒子的希望，都放在日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）了。美国一流高能物理学家也只能把目光转向这个中心。

在2000年7月以前，规范场理论预言的粒子只剩下一个τ子型中微子（Dτ）还没有被物理学家找到；但是在7月20日，这个粒子终于被美国费米实验室的万亿电子伏加速器Tevatron发现。这时，Tevatron和LEP都有发现希格斯新粒子的希望。但是，发现这个粒子不像发现W粒子和Z粒子那么简单，因为这时物理学家还无法获得希格斯粒子的质量，因而不太清楚到哪儿寻找这个粒子。据多数人的估计，希格斯粒子的质量可能处于100—250亿兆。看来Tevatron已经失去优势。但是LEP也难当重任。

2000年9月，LEP按原计划退役，12月开始改造。6年半之后的2007年5月，LHC需要的1746块超导磁铁中最后一块安装完毕。LHC准备就绪，可以开始工作。2008年9月10日，LHC项目负责人林东·伊文斯（Lyndon Evans）发表声明说：“这是一个梦幻般的时刻，我们现在可以期待，一个理解宇宙起源与演化的新时代即将来到。”

这时欧洲物理学家应该感到十分自豪，第一个粒子电子在英国卡文迪什实验室被发现，现在最后的一个上帝粒子的伟大发现回到了欧洲！

但是，到最终发现还是经历了非常曲折的道路，让人一直心惊胆跳，不能有丝毫的懈意。

LHC的大型对撞机。

9月10日上午10点28分，LHC正式启动。巴戈特在他写的《希格斯》一书里特意记下了这具有历史意义的一刻：

LHC在当天上午的10点28分启动。当一道闪光出现在监控器上，这就意味着已经把高速质子全程控制在了对撞机27千米长的圆环中，其运行温度只比绝对零度高两度。物理学家挤满了狭小的控制室，欢呼雀跃起来。虽然不足以引人注目（而且对于电视观众而言有点令人扫兴，估计有10亿人观看了这一瞬间），但是这一历史时刻代表了大批物理学家、设计师、工程师和建筑工人20年来的不懈努力达到了顶峰。

但是不幸的是，这一次出师不利。当天下午3点，科学家把一束质子流输入对撞机的圆环，不久就出现反常的状况。9天之后，在两块超导磁铁之间总线连接处发生了短路，产生的电弧把氦容器外壳击穿，形成一个小洞，并发生爆炸，53块超导磁铁被烧毁，造成氦气泄露，质子管道也受到严重的烟尘污染！

这一事故在外界造成很大的影响，有媒体报道说：“上帝粒子被上帝藏起来了，上帝不想让科学家找到最后的秘密。”爱因斯坦曾经说：“上帝是微妙的，但他没有恶意。”（Subtle is the Lord, but malicious He is not.）现在看来上帝还是有一些担心把最后的秘密让人类得知。

好在科学家还是相信爱因斯坦的箴言，上帝不会刻意阻止人类探寻大自然的奥秘。面对突发的事故，实验物理学家断定冬季维修没有希望，重新开机的时间只能等到来年（2009年）的春天。

2010年7月8日，费米实验室传来消息，说在Tevatron上发现了“轻”希格斯粒子。当媒体捕捉到这一惊人消息之后，正打算大张旗鼓地宣传的时候，却又传来这是一个虚假消息的说法。而且让人没有想到的是到2011年1月17日，美国能源部宣布：到2011年年底以后，不再资助Tevatron项目的继续运行。这一决定终于把高能物理学“掌门人”的地位，彻底让给了欧洲的CERN——LHC担当起了发现上帝粒子的唯一的希望。

希格斯接受瑞典国王授予的奖状、奖章和奖金支票后，向观众致敬。

但是情况似乎有一些令人担心，到2012年初LHC还不能运作。

创造历史的时刻终于来临；2012年7月4日，CERN的两个合作组向全世界宣布：他们终于发现一个酷似希格斯粒子的新粒子。这个新的希格斯粒子的质量处于125—126千兆电子伏之间，并且恰好以人们预期的希格斯粒子应该具有的方式与其他标准模型粒子发生相互作用。

这一消息立即引起全世界媒体的高度关注，一时“上帝粒子找到了！”的消息，传遍全球。看来上帝确实微妙，但是只要发动全球科学家的智慧，并坚持不懈地努力，上帝还是会放心地把秘密交给人类。这正是中国古语所说：“集力之所举，无不胜也；而众智之所为，无不成也。”

但是物理学家还是非常谨慎，唯恐把话说过了头不好收尾。CERN的新闻评论谨慎地报道：

对新粒子的特性做明确的鉴别将花费很长的时间和很多的数据。但不论希格斯粒子呈现出何种形式，我们对物质基本结构的认识都会前进一大步。

希格斯本人在知道这一成功消息之后，对LHC的成就表示衷心的祝贺，还说：“这一切发生在我的有生之年，真是令人难以置信！”

昂格勒获诺贝尔奖。

经过一年的仔细研究和判别，最终物理学界一致认为，希格斯粒子的确被找到了！2013年10月，瑞典诺贝尔奖委员会宣布，2013年诺贝尔物理学奖给予昂格勒和希格斯，获奖原因是：

“在他们提出的理论中发现了一种机制，有助于我们理解亚原子粒子质量的起源，最近CERN大型强子对撞机ATLAS和CMS7实验组确认了这一预言中的基本粒子。”

上帝与物理学家之间的这场游戏在此告一段落。当然，游戏还没有结束，还有无数的奥秘等待人类与上帝博弈。

1 规范场理论有两种，一种是没有涉及量子理论的经典规范场理论（如麦克斯韦电磁理论），有时称为“阿贝尔规范场理论”；一种是引入量子理论（如海森伯不对易关系、薛定谔方程中波函数中的位相概念等）的规范场理论，就是“非阿贝尔规范理论”。在现代物理学中绝大部分涉及的都是后者，为了简便在一般情形下就把“非阿贝尔规范理论”简称为“规范场理论”。

2 原来具有较高对称性的系统出现不对称因素，导致其不对称性降低，这种现象叫作对称性自发破缺。1974年有一位物理学家曾引用法国哲学家布里丹（Jean Buridan，1295—1358）关于驴子的故事说：“驴子处于两个食槽之间，它拿不定主意到哪个槽吃草，驴子拿不定主意就是对称性。使驴子做出选择需要外界偶然因素的影响。驴子的任何自动选择，都使对称性自发破缺。”自发破缺后，驴子获得了食物；如果不破缺，就会像布里丹说的那样，驴子会饿死。在希格斯理论中影响驴子选择的就是“布格斯场”。

3 现在物理学家已经开始用“布劳特—昂格勒—希格斯机制”（Brout-Engert-Higgs mechanism）代替使用了48年的“希格斯机制”这一专用术语。这是因为温伯格的失误。在1964年8月31日第一个提出这一机制的是美裔比利时物理学家布劳特（Robert Brout，1928—2011）和比利时物理学家昂格勒（Françis Englert，1932— ，2013年获得诺贝尔物理学奖），而温伯格误以为同年9月15日提出同一理论的希格斯（Peter W. Higgs，1929— ，与昂格勒分享2013年诺贝尔物理学奖）是第一个提出这一机制的人。温伯格2012年正式澄清这一事实前，人们一直把这一机制称为“希格斯机制”。可惜布劳特在2011年5月3日去世，未能与昂格勒和希格斯一起分享2013年的诺贝尔物理学奖。

4 简单地说，重整化就是量子场论中一套重新处理发散的方法。量子场论由于现在还不十分清楚的原因，在计算中经常会出现一些无穷大的结果；后来物理学家发现用一种特殊的计算方法可以回避无穷大的量，将无穷大的量除去，这种方法被称为“重整化”。这种方法并没有弄清楚无穷大产生的原因，因此这一方法被费曼讥为“把问题扫到地毯下”的方法。但是它在目前一直被物理学家们所使用，而且屡见奇效。

5 这儿的“标准模型”是粒子物理学标准模型（standard model of particle physics）的简称。下面引用《希格斯：“上帝粒子”的发明与发现》（参考书目63）一书的解释：它是“目前描述物质粒子以及它们之间相互作用（除引力以外）公认的理论模型。标准模型是由一组量子场论组成的，它们拥有定域SU（3）（色力）和SU（2）×U（1）（弱力和电磁力）对称性。这一模型有三代夸克和轻子，以及光子、W粒子和Z粒子、传递色力的胶子和希格斯玻色子”。

6 LEP（Large Enectron-Positron Collider），即大型正负电子对撞机的缩写，后经改造成为CERN的大型强子对撞机（LHC-Large Hadron Collider）。它是世界上能量最高的粒子加速器，能够产生高达14万亿电子伏的质子—质子对撞能量。LHC的周长为27千米，位于日内瓦附近、瑞士和法国边界的CERN的地下175米深处。先后以7万亿电子伏和8万亿电子伏的质子—质子对撞能量运行的LHC提供的证据，导致了在2012年7月发现了一个新的、类似希格斯的玻色子。

7 ATLAS和CMS是CERN的LHC的两个合作组。ATLAS是LHC属下一个“螺旋管型仪器”的字头缩写（A Toroidal LHC Apparatus）；CMS是“致密μ子螺线管”的字头缩写（Compact Muon Solenoid）。——本书作者注