上帝粒子背後的故事：獲獎者功在臨門一腳

楊金民

新聞背景

上周，比利時理論物理學家弗朗索瓦·恩格勒、英國理論物理學家彼得·希格斯因成功預測希格斯玻色子(又稱“上帝粒子”)而獲得2013年諾貝爾物理學，這被普遍認為是一個望所歸的決定。

希格斯粒子的發現，使得粒子物理準模型所預言的所有粒子全部被實驗發現。那麼，理論物理是不是從此無事可做？然而，在物理學家的眼睛裏，希格斯的發現被廣泛認為是冰山一角，希格斯背后還會隱藏更大的秘密……

獲獎者功在臨門一腳

教科書中一直在用希格斯機制和希格斯粒子，這裏都用了希格斯先生的名字。其實，這一機制是由1964年發表的兩篇文章獨立提出的，一篇是彼得·希格斯先生的大作(其實很短，才一頁半！)，另一篇是弗朗索瓦·恩格勒和羅伯特·布羅特的大作，但希格斯先生明確提出存在一個物理的標量粒子，這個粒子后來就因此被命名為希格斯粒子。

希格斯粒子於2012年7月4日，在位於日內瓦的歐洲核子研究中心的大型質子對撞機LHC上被發現，從理論的提出到實驗驗證整整用了48年的時間。雖然當年的諾貝爾物理，很多人期待授予與“上帝粒子”有關的發現，但畢竟因為時間太短來不及而落空。

好在，僅僅過了一年，這個獎項望所歸地落在了希格斯和恩格勒的頭上。幸運的是，49年過去了，他們盡管都已是80多歲的老人，但他們都還活。不幸的是，另一位作者，比利時物理學家羅伯特·布羅特沒能等到這一天就撒手人寰，否則，他也會是當然的諾獲得者。

我們應該知道的是，在這三個人之前，其實還有幾位英雄對希格斯機制的創立做出了不可磨滅的貢獻：

南部是第一個把超導中的自發破缺(希格斯機制的出發點)引入到基本粒子物理領域的人，時間大約是1960年，但是他沒有把自發破缺同規範理論相結合(只有把自發破缺同規範理論相結合才能導出希格斯機制)；

哥德斯通受南部的發首次引入標量場(1961年)，證明標量場的勢可以導致自發破缺併產生無質量的標量粒子(后來稱為哥德斯通粒子)，但是哥德斯通也沒有進一步把標量場的自發破缺同規範理論相結合；

朱利安·施溫格於1962年想到了有質量的向量粒子可能與無質量的標量粒子有關，但沒有去證明；

安德森受施溫格的發，於1963年在非相對論情況下發現無質量的標量粒子可以被無質量的規範玻色子吃掉而導致有質量的規範玻色子，這其實就是希格斯機制，但是它是非相對論的。

最后，在安德森的工作基礎上，希格斯、恩格勒和布羅特建立了相對論情況下的希格斯機制。

由此可知，諾貝爾獎獲得者也是站立在人的肩膀上才取得成功的，那些堆積如山的“垃圾文章”是他們通向成功的階梯。這就像是足球比賽，沒有隊友的配合和協助，就不會有臨門一腳的成功者。

實驗物理學家原本功不可沒

理論物理學家的研究固然重要，然而，如果沒有實驗物理學家幾十年的艱苦工作，就不可能證實希格斯粒子的存在，理論物理學家獲諾也就無從談起。

希格斯粒子雖然在宇宙創生之初甚是活躍並大顯身手，但是它極其短命，在完成使命之后馬上就涅槃了，目前的宇宙之中已經沒有了它的蹤跡。要想看到它就必須使它重生，而重生它的搖籃就是高能對撞機。

在對撞機上尋找希格斯粒子的工作始於上世紀90年代的LEP對撞機，LEP因能量低那麼一點而與希格斯粒子擦肩而過；接下來前赴后繼的是美國費米實驗室的Tevatron對撞機，它對希格斯粒子進行了長達二十年的尋找，模模糊糊看到了希格斯的形象，但霧裏看花終隔一層。

美國人曾經於上世紀末建造超級超導對撞機SSC(其能量比LHC還要高3倍)以尋找希格斯粒子，后來由於SSC花費驚人而被美國國會終止。

[NT:PAGE=$]

發現希格斯粒子的歐洲核子研究中心的LHC實驗，是人類歷史上投資最大的科學研究機器(造價高達100億美元)，其中兩個實驗組CMS和Atlas分別獨立尋找希格斯粒子，每個實驗組有3000多名來自全世界幾十個國家幾百所大學的科學家(中國的實驗科學家也參與其中)，這數千名頂尖的實驗科學家費盡心力尋找到了希格斯粒子。他們尋找希格斯粒子的過程艱難曲折：LHC對撞機把質子加速至極高能量(其速度接近光速)，然后讓質子迎頭相撞，質子撞碎毀滅而成為一團能量，從這團能量中重生出宇宙大爆炸之初的各種粒子，其中就包含希格斯粒子，但是由於希格斯粒子所占的個數比例極小(小於百億分之一)，實驗學家要從灰燼中篩出希格斯粒子就像沙漠淘金一樣艱難。他們終於成功了，在極大的可信度上確立了這個發現(不對的可能性小於千萬分之一)。

但可惜的是，這些做實驗的人員沒有得到諾貝爾獎。諾貝爾獎鼓勵的是個人英雄主義，只個人不團體，在數千參與尋找希格斯粒子的實驗學家中很難找到幾個主要貢獻者(同樣的故事發生在上世紀末的美國費米實驗室，當時找到頂夸克的兩個實驗組CDF和D0也是規模十分龐大的群體，很難找到主要貢獻者，至今沒有獲得諾貝爾獎)。

揭開的只是冰山一角

希格斯粒子的發現完善了粒子物理準模型，至此這一模型所預言的所有粒子全部被實驗發現了。這一發現錶明質量起源的理論(希格斯機制)是正確的，為理論的進一步發展指明了方向。在質量起源方面一直有兩類理論，一類是預言存在希格斯粒子的希格斯機制，另一類是預言不存在希格斯粒子的理論，希格斯粒子的發現錶明自然界選擇了第一類理論。

希格斯粒子的發現並不意味高能物理的終結，反而可能預示高能物理又一黃金時代的到來。希格斯的發現廣泛被認為是冰山一角，希格斯背后還會隱藏天大的秘密，原因是希格斯在準模型中存在得很不自然，這種不自然的程度就像是地球上的人用一桿槍去瞄準月球上的一隻兔子，或者在光滑的鏡面上豎起一根很尖的針，希格斯粒子只有在新物理(特別是超對稱理論)的天堂內才存在得自然、安逸、和諧。

如果希格斯后面存在新物理超對稱，那麼超對稱除了預言大量的超粒子之外，還預言希格斯粒子有好幾個兄弟姐妹，他們一起組成一個快樂和諧的希格斯小家庭，這個家庭的成員在宇宙創生之初是那麼的活靈活現，后來在大千世界形成時它們都死亡殆盡了。那一大群超粒子也是一樣的紛紛夭折，只剩下一個最輕的超粒子至今逍遙於宇宙，它組成了宇宙中的暗物質，穩定宇宙的架構。

LHC對撞機下一步的目標就是尋找超對稱預言的這些新粒子。同時，新的對撞機也在世界範圍內進行籌劃(日本甚是積極，已經把下一代對撞機的地址初步選擇在其東北地區)，我國也在積極推動一個中國希格斯工廠和超級質子對撞機，相信這也是實現中華民族偉大復興中國夢的一部分！

(作者為中國科學院理論物理研究所研究員)

延伸讀

希格斯機制和希格斯粒子

希格斯機制其實就是質量生機制，如果沒有這一機制，物質世界的基本組分(電子、夸克)都沒有質量，那樣的話，大千世界就是沒有質量的縹緲之物而處於原始的混沌之中。

137億年前宇宙創生之初的那個火球內的所有粒子都處在希格斯場內，它們受到希格斯場的粘滯作用從而得到質量。傳遞弱作用的規範玻色子也是這樣得到質量的——無質量的規範玻色子與希格斯場相遇，它吃掉了無質量的希格斯場分量(無質量的希格斯場叫作哥德斯通粒子)從而得到質量，這時還剩下一個有質量的希格斯場分量，這個分量叫作希格斯粒子。