打破三十年堅(jiān)冰

1、劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)7 月 4 號(hào)，歐洲夏令時(shí)上午 9 點(diǎn)，歐洲核子中心的兩場(chǎng)學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)和其后的新聞發(fā)布會(huì)吸引了全世界粒子物理學(xué)家全神貫注的關(guān)注， 同時(shí)也吸引了很多媒體和公眾的關(guān)注。此前， 6 月 22 號(hào)，網(wǎng)上已經(jīng)開(kāi)始流傳各種猜測(cè)，猜測(cè)集中在歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是否將宣布發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子， 即民間傳說(shuō)的上帝粒子。不久，我接到南方周末編輯朱力遠(yuǎn)的約稿信7 月 4 號(hào)，北京的一些粒子物理學(xué)家聚集在卡弗里理論物理所。此前，晚睡的我中午接到果殼網(wǎng)的微博私信， 要我說(shuō)明為什么相信今天的新聞發(fā)布就是關(guān)于發(fā)現(xiàn)上帝粒子。我答：第一，因?yàn)橛^測(cè)的粒子與自旋為零的中性粒子吻合；第二，信號(hào)增強(qiáng)了，根據(jù)該粒子衰變后的

2、產(chǎn)物，要么是希格斯粒子，要么是它的姐妹，不論是什么都是大發(fā)現(xiàn)；第三，據(jù)傳置信度是 4.5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以上。然后我吃了兩枚雞蛋喝了一杯咖啡就去卡弗里所， 加入我的同行們一起等候歷史的那一刻。 同時(shí)，我在微博貼上幾天前我就貼在土豆網(wǎng)的幾個(gè)介紹希格斯粒子的通俗視頻。下午一點(diǎn)半，高能物理所的高杰教授開(kāi)始介紹中國(guó)將加入建設(shè)的直線(xiàn)加速器的情況。這臺(tái)加速器是為了研究大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將獲得的發(fā)現(xiàn)的更加具體細(xì)節(jié)。 我無(wú)心聽(tīng)講，開(kāi)始調(diào)試歐洲核子中心的直播視頻， 同時(shí)瞄一眼微博， 再瞄一眼興奮的高杰教授。其余人鴉雀無(wú)聲。視頻上，歐洲核子中心那邊各色人等陸續(xù)進(jìn)場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、理論物理學(xué)家、記者。我看到了希格斯本人進(jìn)場(chǎng)了

3、，還有我的朋友 Gerry Guralnik ，他是發(fā)現(xiàn)希格斯機(jī)制的六人之一。下午三點(diǎn)，學(xué)術(shù)報(bào)告開(kāi)始。第一個(gè)演講者是 CMS 探測(cè)器的發(fā)言人 Joe Incandela ，來(lái)自加州大學(xué)圣芭芭拉分校（我的第一個(gè)博士后站點(diǎn)）。三點(diǎn)四十分，關(guān)鍵的PPT 打出來(lái)了：確實(shí)是發(fā)現(xiàn)！結(jié)合新粒子的兩種衰變渠道，證據(jù)達(dá)到五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，也就是 99.99994% 的可信度。歐洲核子中心那邊全場(chǎng)掌聲雷動(dòng)，我的眼睛濕了，繼續(xù)發(fā)微博。三點(diǎn)五十分， ATLAS 探測(cè)器發(fā)言人 Fabiola Gianotti 開(kāi)始演講。過(guò)程是：致謝，技術(shù)細(xì)節(jié)，技術(shù)細(xì)節(jié) 她面部表情一直很?chē)?yán)肅， 難道 ATLAS 的結(jié)果不好？大家不吭聲，但心情

4、難以平靜。四點(diǎn)三十五分，關(guān)鍵的 PPT 出來(lái)了，同樣是五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差， Gianotti 還沒(méi)開(kāi)始解釋?zhuān)沁吶珗?chǎng)掌聲再次雷動(dòng)，這是發(fā)現(xiàn)！這兩個(gè)獨(dú)立探測(cè)器的結(jié)果完全相洽， 在 125.5GeV 左右發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新粒子，衰變的幾種方式?jīng)]有太大區(qū)別。報(bào)告結(jié)束了，那邊學(xué)術(shù)報(bào)告結(jié)束新聞發(fā)布會(huì)開(kāi)始。 我們這邊，打開(kāi)兩瓶香檳慶祝，這兩瓶當(dāng)然是事先準(zhǔn)備好的， 但是任何人都沒(méi)有料到有機(jī)會(huì)打開(kāi)雖然我料到了。我們一起度過(guò)了宣布基礎(chǔ)物理近三十年最重要發(fā)現(xiàn)之一的歷史時(shí)刻。我在南方周末今年 2 月 2 號(hào)那期的一篇題為 2012 年 或?yàn)槲锢韺W(xué)突破年文章中“預(yù)言”了希格斯粒子將在今年被發(fā)現(xiàn)，或者說(shuō)，將在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中質(zhì)子對(duì)質(zhì)

5、子的高能量、密集的對(duì)撞中不得不現(xiàn)身。作為物理學(xué)家，多數(shù)人會(huì)持更加謹(jǐn)慎的態(tài)度， 而我向來(lái)樂(lè)觀一種基于理性判斷的樂(lè)觀。其實(shí)，我那時(shí)的判斷還有點(diǎn)謹(jǐn)慎了，我在文章中認(rèn)為上帝粒子一定在年底之前被歐洲核子中心的兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)探測(cè)器分別擁有三千多名科學(xué)家，而7月4號(hào)的學(xué)術(shù)報(bào)告已經(jīng)說(shuō)明這兩個(gè)探測(cè)器毫無(wú)疑問(wèn)地發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新粒子，這個(gè)新粒子在很多方面的行為像上帝粒子。 要驗(yàn)證這個(gè)粒子確確實(shí)實(shí)就是物理學(xué)家期待已久的上帝 粒子，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上工作的物理學(xué)家們還需要驗(yàn)證這個(gè)粒子的幾個(gè)關(guān)鍵性質(zhì)才能肯定。 雖然兩位報(bào)告人沒(méi)有說(shuō)它就是上帝粒子， 但歐洲核子中心的主任 Rolf Heuer 在新聞發(fā)布會(huì)上對(duì)記者說(shuō)：

6、“我想我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了它?！辈徽撍窍８袼沽Ｗ?， 還是很像希格斯粒子的另一個(gè)新粒子， 這個(gè)發(fā)現(xiàn)必將載入物理學(xué)發(fā)展史。理論家的寂寞與榮耀我們還是回過(guò)頭來(lái)談?wù)勈裁词窍８袼沽Ｗ樱?它在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本理論即粒子物理中扮演了什么角色， 以及為什么它被普通人稱(chēng)為上帝粒子因?yàn)樵谖锢韺W(xué)家的術(shù)語(yǔ)中，它的真正名字是希格斯粒子。從上世紀(jì)初到七十年代， 物理學(xué)家經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)以及理論探索， 發(fā)現(xiàn)所有基本物理現(xiàn)象都可以約化為四種基本相互作用：重力以及主導(dǎo)天體運(yùn)行的萬(wàn)有引力，在我們?nèi)粘Ｉ钪袩o(wú)所不在的電磁力， 將夸克結(jié)合成核子、 再將核子結(jié)合成原子核的強(qiáng)作用力， 以及使得某些原子核衰變的弱相互作用。 除了萬(wàn)有引力之外， 后

7、面三種相互作用是粒子物理學(xué)家的傳統(tǒng)研究對(duì)象。 可以說(shuō)，世界上還沒(méi)有什么現(xiàn)象不能用這四種基本力來(lái)解釋。六十年代是粒子物理學(xué)的一個(gè)奇特的十年。 那個(gè)時(shí)候，最流行的基本理論是粒子碰撞理論，多數(shù)粒子物理學(xué)家將時(shí)間花在計(jì)算粒子碰撞上面。 我們現(xiàn)在知道， 正確描述亞原子世界的語(yǔ)言是量子場(chǎng)論， 也就是說(shuō)，我們這個(gè)世界最基本的物理變量是場(chǎng)，就像我們?cè)谥袑W(xué)課本中就已經(jīng)學(xué)到的電磁場(chǎng)， 只不過(guò)，電磁場(chǎng)只是其中的一種。光就是一種電磁場(chǎng)，這是麥克斯韋在十九世紀(jì)認(rèn)識(shí)到的。 對(duì)應(yīng)于電磁場(chǎng)，有光子，這是愛(ài)因斯坦 1905 年認(rèn)識(shí)到的。量子論將場(chǎng)與粒子統(tǒng)一了起來(lái)，就是說(shuō)，有一種場(chǎng)就有一種粒子， 該粒子是這種場(chǎng)最小的波動(dòng)單元。

8、但是在上世紀(jì)六十年代，粒子物理學(xué)被 Geoffrey Chew 的哲學(xué)所主導(dǎo)，這個(gè)人比楊振寧小兩歲， 1945 年左右在芝加哥大學(xué)時(shí)和楊振寧是同學(xué)。 Chew 認(rèn)為場(chǎng)論存在根本困難，不是描述我們這個(gè)世界的基本語(yǔ)言， 他認(rèn)為基本語(yǔ)言就是粒子和粒子之間的碰撞幾率。他發(fā)明的一套概念統(tǒng)治了粒子物理學(xué)十年， 以致某位在普林斯頓工作的著名物理學(xué)家在辦公室門(mén)口貼了一張紙， 上面寫(xiě)著：“應(yīng) Chew 的號(hào)召本人終止場(chǎng)論研究”。直到七十年代初場(chǎng)論重新回到統(tǒng)治地位上來(lái)。后來(lái)， Chew 從教皇位置退到不為人注目的邊緣， 但他的學(xué)生 David Gross 和 John Schwarz 卻是超弦理論的大家，前者因發(fā)

9、展強(qiáng)相互作用的理論量子色動(dòng)力學(xué)獲得 2004 年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。六十年代粒子物理學(xué)家的主流拋棄了場(chǎng)的概念， 卻有極少數(shù)人堅(jiān)持研究場(chǎng)論。 希格斯是其中之一，另外，同時(shí)有五個(gè)人分成兩個(gè)小組也在研究希格斯研究的問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題在當(dāng)時(shí)看上去并不重要， 甚至可以說(shuō)有點(diǎn)無(wú)事生非。 那么，為什么少數(shù)人要無(wú)事生非？這得從獲得 2008 年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的南部陽(yáng)一郎說(shuō)起。南部是一位公認(rèn)的理論物理大家， 比楊振寧大一歲，在芝加哥大學(xué)也與楊振寧共事過(guò)，在獲得諾獎(jiǎng)之前獲得了幾乎所有與粒子物理學(xué)有關(guān)的大獎(jiǎng)。 南部最好的研究工作同時(shí)也是他獲獎(jiǎng)的理由之一，是發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體中的一種無(wú)質(zhì)量“粒子”。他的發(fā)現(xiàn)后來(lái)被古爾德斯通（

10、J. Goldstone ）推廣為一般性定理，現(xiàn)在通常稱(chēng)為南部 - 古爾德斯通定理。 因?yàn)檫@條定理十分重要， 且與希格斯粒子有關(guān)， 我們通俗地介紹一下這個(gè)定理。在物理世界，常常有一些對(duì)稱(chēng)性。比如，物理學(xué)定律不依賴(lài)于實(shí)驗(yàn)所在的時(shí)間和地點(diǎn)， 這是時(shí)間和空間的平移對(duì)稱(chēng)性， 也就是說(shuō)如果將實(shí)驗(yàn)室從歐洲核子中心搬到中國(guó)某地， 你同樣會(huì)發(fā)現(xiàn)上帝粒子， 而且得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該是一樣的。 在時(shí)間和空間對(duì)稱(chēng)性之外， 還有一些對(duì)稱(chēng)性是隱藏的， 例如電磁理論中有一種對(duì)稱(chēng)性我們用通常的方法看不到， 但學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)后就會(huì)看到麥克斯韋方程中的一種對(duì)稱(chēng)性， 這些對(duì)稱(chēng)性往往被稱(chēng)為內(nèi)部對(duì)稱(chēng)性。 有時(shí)，不論時(shí)間空間對(duì)稱(chēng)性還是內(nèi)部對(duì)稱(chēng)

11、性會(huì)被打破， 例如在空間中放置一個(gè)東西， 遠(yuǎn)離和靠近這個(gè)東西的地方明顯不同。南部在研究超導(dǎo)現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)， 如果一個(gè)內(nèi)部對(duì)稱(chēng)性被打破了，會(huì)出現(xiàn)一種沒(méi)有質(zhì)量的粒子。南部的定理看上去很抽象， 我們用一個(gè)形象的比喻就很容易理解它。 想象你有一頂墨西哥帽子， 這個(gè)帽子有一個(gè)高高的頂同時(shí)有一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的上翹的帽沿。 如果這頂帽子做得足夠好， 它是非常對(duì)稱(chēng)的， 也就是說(shuō)你隨意轉(zhuǎn)動(dòng)它它看上去總是一個(gè)樣子。現(xiàn)在，在帽沿和帽頂?shù)倪B接處放上一個(gè)鋼球且固定它的位置， 轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱(chēng)就被這個(gè)鋼球打破了。 但是，由于帽沿和帽頂?shù)倪B接處是一個(gè)等高的圓， 你輕輕推一下鋼球，這個(gè)鋼球就會(huì)沿著這個(gè)圓滾動(dòng)。 南部和古爾德斯通無(wú)非發(fā)現(xiàn)了這個(gè)簡(jiǎn)單

12、無(wú)比的道理： 鋼球沿著這個(gè)圓運(yùn)動(dòng)起來(lái)很容易。 另外，鋼球也可以沿著垂直于這個(gè)圓的方向， 向帽頂或帽沿的方向滾動(dòng)， 只是滾動(dòng)起來(lái)需要能量。 現(xiàn)在我們看看能不能在場(chǎng)論中重新敘述這個(gè)現(xiàn)象。 最簡(jiǎn)單的情況是，有一個(gè)場(chǎng)，類(lèi)似電磁場(chǎng)，這個(gè)場(chǎng)像電場(chǎng)和磁場(chǎng)一樣有方向性。但電場(chǎng)和磁場(chǎng)所指的方向是空間中的方向（例如地球磁場(chǎng)），而我們假想的這個(gè)場(chǎng)在 “看不見(jiàn)的內(nèi)部方向” 上有一個(gè)方向。在時(shí)空中，這個(gè)場(chǎng)無(wú)所不在，就像電磁場(chǎng)一樣。我們知道，電場(chǎng)或磁場(chǎng)一旦不為零，空間對(duì)稱(chēng)性就被打破了，例如不為零的磁場(chǎng)控制磁針指向一個(gè)方向。同樣，一個(gè)不為零的南部 -古爾德斯通場(chǎng)也打破了內(nèi)部對(duì)稱(chēng)性。打破的結(jié)果就是，多出了一個(gè)零質(zhì)量的粒子，

13、這個(gè)粒子就像沿著墨西哥帽的帽沿和帽頂連接處的那個(gè)圓滾動(dòng)的鋼球。希格斯等人接下來(lái)的工作是消除這個(gè)零質(zhì)量粒子， 因?yàn)樵谧匀唤缰形覀冞€沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何這樣的零質(zhì)量粒子這種粒子的質(zhì)量不但為零， 它的自旋也為零， 這和電子以及光子不同， 后者都是有自旋的小陀螺。 希格斯等人大膽地將南部場(chǎng)與楊-米爾斯場(chǎng)耦合，而楊 -米爾斯場(chǎng)真正類(lèi)似電磁場(chǎng)，在空間上有方向。希格斯等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)稱(chēng)性被南部場(chǎng)破壞之后，零質(zhì)量的粒子被楊 -米爾斯場(chǎng)“吃掉”了，楊 -米爾斯場(chǎng)變重了，被吃掉的那個(gè)零質(zhì)量南部場(chǎng)不見(jiàn)了，剩下了一個(gè)也是有質(zhì)量的無(wú)自旋場(chǎng)， 這個(gè)場(chǎng)就像墨西哥帽上的那個(gè)向著帽頂運(yùn)動(dòng)的鋼球。 這個(gè)場(chǎng)，就是我們等了 48 年的希格斯場(chǎng)

14、，它的最小的波動(dòng)就是希格斯粒子，即上帝粒子。在過(guò)去的 48 年間，物理學(xué)家通過(guò)各種努力，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)希格斯粒子，盡管希格斯本人因其他理論物理學(xué)家后來(lái)的工作從籍籍無(wú)名變成一個(gè)著名物理學(xué)家。上帝粒子與標(biāo)準(zhǔn)模型是著名物理學(xué)家溫伯格的工作讓希格斯粒子在基本物理學(xué)中占據(jù)重要位置。1967 年，溫伯格發(fā)表了一篇?jiǎng)潟r(shí)代論文。在這篇論文中，溫伯格假定弱相互作用（即引起 衰變的作用）與電磁作用類(lèi)似，是以類(lèi)似光子的中間玻色子傳播的。我們知道，光子沒(méi)有質(zhì)量， 所以可以傳播得很遠(yuǎn)， 同時(shí)這也是電磁場(chǎng)有這么大應(yīng)用的原因（從照明到電腦到 GPS 定位）。但弱作用與電磁作用不同，不僅很微弱，而且傳播得不遠(yuǎn)，其傳播距離只有 10

15、-16 米。這個(gè)超短距離的相互作用只能用質(zhì)量很大的粒子來(lái)傳播，這種粒子叫中間玻色子，共有三種，兩種帶電，一種不帶電。溫伯格清楚地知道， 如果我們像用電磁場(chǎng)傳遞電磁作用那樣直接用中間玻色子來(lái)傳遞弱作用， 可以很成功，而且它們的質(zhì)量通過(guò)已有的弱作用現(xiàn)象就能測(cè)定，但是，這個(gè)理論并不自洽。在沒(méi)有辦法的情況下，他就用希格斯等人的辦法，從無(wú)質(zhì)量的中間玻色子出發(fā)，這些場(chǎng)就是楊 -米爾斯場(chǎng)，這些場(chǎng)吃掉南部粒子變成中間玻色子， 代價(jià)是多出了有質(zhì)量的希格斯粒子。 這個(gè)代價(jià)不小， 因?yàn)橄８袼沽Ｗ釉诋?dāng)時(shí)的弱作用實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有任何位置。 溫伯格的模型不僅解釋了弱作用，同時(shí)將弱作用和電磁相互作用放在了一個(gè)統(tǒng)一的理論里， 這

16、就是著名的弱電統(tǒng)一理論。 1974 年，歐洲核子中心驗(yàn)證這個(gè)理論的一個(gè)預(yù)言，溫伯格以及另外兩位對(duì)弱電統(tǒng)一有貢獻(xiàn)的物理學(xué)家在 1979 年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。那一年，我在北京大學(xué)上大二，在北大的新華書(shū)店買(mǎi)到了介紹這個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)的一期雜志。在弱電統(tǒng)一理論中，有四個(gè)希格斯場(chǎng)，三個(gè)被中間玻色子“吞并”，剩下一個(gè)不帶電、有質(zhì)量無(wú)自旋， 但我們?cè)谵Z出這個(gè)粒子之前對(duì)它的質(zhì)量無(wú)法做出限制。 希格斯粒子之所以被 Leon Lederman 稱(chēng)為上帝粒子的原因還不是它難以發(fā)現(xiàn)或賦予中間玻色子以質(zhì)量，而是它同時(shí)還賦予所有物質(zhì)粒子以質(zhì)量。在弱電理論中，這種賦予質(zhì)量的方式很簡(jiǎn)單， 就是讓希格斯場(chǎng)直接和物質(zhì)粒子耦合。耦合的

17、具體表現(xiàn)是，當(dāng)一個(gè)物質(zhì)粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)，它不斷地吸收和輻射“虛”希格斯粒子。我們解釋一下“虛的”含義，還是用電磁場(chǎng)為例。電磁場(chǎng)以波動(dòng)的形式出現(xiàn)時(shí)，就有了光子，當(dāng)電磁場(chǎng)像地球的磁場(chǎng)那樣固定不變，我們稱(chēng)組成這種靜態(tài)場(chǎng)的光子為“虛”光子，因?yàn)樗鼈儾徽駝?dòng)從而不以粒子的方式出現(xiàn)?；氐较８袼箞?chǎng)，在靜態(tài)的希格斯場(chǎng)打破對(duì)稱(chēng)時(shí)， 中間玻色子吃掉無(wú)質(zhì)量的振動(dòng)模式變重，同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)有質(zhì)量的振動(dòng)模式即希格斯粒子。而當(dāng)物質(zhì)粒子穿行于“虛”希格斯場(chǎng)中時(shí)，它們不斷吸收和輻射這些虛粒子，也變重了。后來(lái)，出現(xiàn)了一個(gè)著名的比喻：英國(guó)女王行走在人群中， 由于人群不斷地和她打招呼握手，她走不快了。 人群是希格斯場(chǎng)，女王是變重的物質(zhì)粒子。1

18、983 年，位于歐洲核子中心的超級(jí)質(zhì)子加速器發(fā)現(xiàn)了三種中間玻色子。領(lǐng)導(dǎo)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的意大利物理學(xué)家卡洛· 盧比亞以及荷蘭物理學(xué)家范德梅爾很快于次年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。然而，那個(gè)希格斯粒子卻隱藏得很深。三十年艱辛結(jié)出了花朵1983 年中間玻色子在歐洲核子中心現(xiàn)身后， 物理學(xué)家在歐洲和美國(guó)繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)，其中著名的加速器就有超級(jí)質(zhì)子加速器、 大型正負(fù)電子加速器以及質(zhì)子反質(zhì)子太伏加速器。超級(jí)質(zhì)子加速器和大型正負(fù)電子加速器都屬于歐洲核子中心， 超級(jí)質(zhì)子加速器與美國(guó)的質(zhì)子反質(zhì)子加速器有直接競(jìng)爭(zhēng)， 后者的能量超過(guò)了前者。 超級(jí)質(zhì)子加速器周長(zhǎng) 6.8 千米，質(zhì)子能量 400GeV （ 1GeV=10 億電子伏）

19、；美國(guó)的質(zhì)子反質(zhì)子加速器周長(zhǎng) 6.28 千米，質(zhì)子能量達(dá)到一千 GeV 。超級(jí)質(zhì)子加速器發(fā)現(xiàn)了中間玻色子， 之后企圖發(fā)現(xiàn)頂夸克， 這是標(biāo)準(zhǔn)模型中最重的粒子， 比剛剛發(fā)現(xiàn)的疑似希格斯粒子還重， 達(dá) 173GeV 。這個(gè)目標(biāo)被費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)子反質(zhì)子加速器實(shí)現(xiàn)了，時(shí)間是 1995 年。這兩臺(tái)加速器都沒(méi)有能夠發(fā)現(xiàn)希格斯粒子，美國(guó)的加速器去年光榮退役， 但它的一個(gè)實(shí)驗(yàn)組在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)宣布發(fā)現(xiàn)疑似希格斯粒子后也公布了 2.9 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的希格斯粒子實(shí)驗(yàn)證據(jù)， 時(shí)間是我寫(xiě)本文的今天， 2012 年7月 9號(hào)。超級(jí)質(zhì)子加速器做出了中間玻色子的杰出發(fā)現(xiàn)， 仍然沒(méi)有退休。先為大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)初步加速正負(fù)電子，

20、然后這些正負(fù)電子被注入大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)； 現(xiàn)在這臺(tái)光榮機(jī)器為大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)初步加速正負(fù)質(zhì)子， 然后正負(fù)質(zhì)子才注入大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。說(shuō)到大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，有一段有趣的故事。這臺(tái)機(jī)器運(yùn)行了11 年，在 2000 年不得不關(guān)閉為大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)讓路，因?yàn)楹笳咭仓迷谕粋€(gè)地下隧道里。大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的終極任務(wù)是轟出希格斯粒子，在兩千年不得不承認(rèn)這個(gè)任務(wù)超出她的能力，只提供了希格斯粒子質(zhì)量一個(gè)下限：115GeV 。但這臺(tái)機(jī)器為精確檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型做了不少重要的事情， 例如將中間玻色子質(zhì)量的測(cè)量精確到千分之一。甚至在關(guān)閉之前，她都在不遺余力地尋找希格斯粒子。接替大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的故事充滿(mǎn)

21、了傳奇和驚險(xiǎn)， 我在發(fā)表在南周的幾篇文章都有提及， 今天按下不表。 單說(shuō)發(fā)現(xiàn)疑似希格斯粒子。 這項(xiàng)工作從去年開(kāi)始，計(jì)劃今年年底結(jié)束。去年 12 月份，在這臺(tái)加速器上工作的兩臺(tái)探測(cè)器， ATLAS 和 CMS 分別看到了希格斯粒子的蹤影，證據(jù)的可信度大約是三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，也就是 99.7% 左右。今年，截至 6 月中旬，兩個(gè)探測(cè)積累的數(shù)據(jù)已經(jīng)超過(guò)了去年，綜合去年和今年的結(jié)果， 它們發(fā)現(xiàn)了新粒子，質(zhì)量是 125.5GeV 左右，置信度分別達(dá)到五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。我們終于松了口氣， 希格斯粒子， 或者一個(gè)類(lèi)似希格斯粒子的家伙， 終于被抓獲了。接下來(lái)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將運(yùn)行到今年 12 月中旬，在此期間檢驗(yàn)新發(fā)現(xiàn)的

22、粒子到底是不是希格斯粒子。然后，她要休整兩年時(shí)間， 2015 年重新啟動(dòng)，那時(shí)，能量接近現(xiàn)在能量的兩倍。我們將期待新的、更加重要的發(fā)現(xiàn)。終場(chǎng)白和理論家的判斷從提出和設(shè)計(jì)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)到今天， 經(jīng)過(guò)二十五年的努力， 數(shù)千名聰明又勤奮的物理學(xué)家沒(méi)有異議地發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新粒子， 這個(gè)新粒子從各方面看上去都像那個(gè)上帝粒子，或更加學(xué)術(shù)地說(shuō)，希格斯粒子。即使不是希格斯粒子，它在前面所述的希格斯機(jī)制中也占有一席位置。像到什么程度？從 7 月 5 號(hào)開(kāi)始，即歐洲核子中心的新聞發(fā)布會(huì)第二天，許多理論物理學(xué)家們開(kāi)始在 arXiv 瘋狂地貼文章。我羅列一下各種分析的結(jié)果。有一篇論文說(shuō)，這個(gè)粒子的衰變率和標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言希格

23、斯粒子的衰變率非常接近，接近到統(tǒng)計(jì)漲落只有七分之一。 不過(guò)，這個(gè)疑似希格斯粒子衰變成兩個(gè)光子的事例稍微多了一些。目前的數(shù)據(jù)量還不足以判斷這點(diǎn)多余是真的，還是正常漲落。所以，我們說(shuō)這個(gè)疑似對(duì)象就是希格斯粒子不算過(guò)分。另一篇文章分析，假定這個(gè)粒子不是希格斯粒子，比希格斯粒子稍微復(fù)雜一點(diǎn)，也就是說(shuō)，本來(lái)的四個(gè)希格斯場(chǎng)（被中間玻色子吃掉三個(gè)留下一個(gè)，共四個(gè)）不對(duì)，用六個(gè)希格斯場(chǎng)來(lái)代替，理論上似乎也說(shuō)得過(guò)去，但是四個(gè)還是更好。還有一篇文章分析， 超對(duì)稱(chēng)貌似也與這個(gè)發(fā)現(xiàn)不矛盾。 請(qǐng)注意，超對(duì)稱(chēng)是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)下一步發(fā)現(xiàn)的重要目標(biāo)， 這個(gè)理論預(yù)言自然界粒子數(shù)比我們看到的整整多了一倍。第四篇論文分析了雙光子衰

24、變的情況， 認(rèn)為如果我們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)模型里好好計(jì)算那個(gè)最難計(jì)算的相互作用強(qiáng)作用，那么得到的結(jié)果正好是目前實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果。第五篇文章，在我看來(lái)最重要，分析了復(fù)合希格斯粒子模型在這些模型中，希格斯粒子不是基本粒子， 而是由更加基本的粒子組合而成。 這個(gè)文章得出結(jié)論，這些復(fù)合模型只有少數(shù)與實(shí)驗(yàn)融洽。 這是我希望得到的結(jié)果， 因?yàn)樵诔瑢?duì)稱(chēng)理論中，希格斯粒子是基本粒子， 而且不算特別重， 比較容易解釋 125.5GeV 目前這個(gè)質(zhì)量。當(dāng)然，還有更多的文章沒(méi)有必要去總結(jié)了。我想提一下我們所的同事劉純教授，從去年開(kāi)始， 他一直忐忑不安， 因?yàn)楦鶕?jù)他的人擇理論， 希格斯粒子的質(zhì)量最好在 140GeV ，這樣，除了標(biāo)準(zhǔn)模型外，我們不會(huì)在更高的能量上發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象?？上系酆蜕系哿Ｗ硬徽驹谒囊贿?。 我的這篇文章也受益于與他的經(jīng)常性的討論。在結(jié)束本文時(shí)，我打兩個(gè)賭。第一，新發(fā)現(xiàn)的粒子就是我們等了 45 年的希格斯粒子。第二