【转贴文章】通往希格斯粒子之路（已更新）

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經過30年的追尋，科學家似乎找到了那難以捉摸的粒子。它奇特的性質意味著一個物理新時代可能就要來臨。

撰文：黎奧丹（Michael Riordan）、東奈里（Guido Tonelli）、吳秀蘭（Sau Lan Wu）
翻譯：高涌泉 （台湾大学物理系教授）

                               
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重點提要

■ 希格斯玻色子（Higgs boson）是標準模型中還沒找到的最後一塊拼圖。物理學家幾十年來不斷努力想偵測它，但都未能成功。

■ 位於歐洲核子研究組織（CERN）大強子對撞機（LHC）的兩個巨大實驗：超導環場探測器（ATLAS）與緊緻緲子螺管偵測器（CMS），已經在2011年底找到希格斯玻色子的跡象。當時物理學家希望在2012年春天的運轉所產生的數據中，可以發現希格斯粒子。

■ 物理學家把2012年春天蒐集到的數據藏了起來，甚至自己也不能看，如此進行的「盲分析」才不會帶進偏見。到了6月中，他們才首次查看新證據。

■ 在數據中出現的「類希格斯」粒子具有很多物理學家在尋找的性質。它的某些初期跡象令人驚訝，可能指引了物理的未來。



2012年6月14日深夜，一群群在大強子對撞機（LHC）工作的博士後研究員以及研究生，開始查看一個剛打開的數據快記區。LHC這座巨大加速器坐落於日內瓦附近的歐洲核子研究組織（CERN），幾個月前，它才從冬天休眠狀態甦醒過來；自那時起，LHC已經產生了極大量的數據。但是LHC最大兩個實驗組的6000多名物理學家，卻很怕他們在分析數據之時，無意間加進了自己的主觀偏見，因此他們相約在6月中前完全不去知道結果，也就是執行所謂的「盲分析」，一直要等到6月中，在發狂挑燈夜戰之後，才揭開答案。

眾多年輕科學家徹夜分析剛開放的數據。雖然LHC這個巨大的對撞機「餵養」了很多實驗，但是只有其中兩個最大的實驗：超導環場探測器（ATLAS）與緊緻緲子螺管偵測器（CMS），才擔負著尋找希格斯玻色子（Higgs boson）的責任，這個大家找尋已久的粒子是粒子物理標準模型（即次原子世界的理論架構）唯一還沒補足的拼圖片。質子在這兩個實驗的龐大偵測器裡對撞，產生的次原子碎片源源噴出，由偵測器記錄下來。對於這些碰撞殘餘物仔細且獨立的分析，可能揭露一閃即過的新現象，其中或許包括那難以捉摸的希格斯粒子。但是偵測器必須過濾大量的粒子軌跡以及留下的能量，在此同時，還得忍受低能量背景粒子的不停衝擊，而有趣的訊號可能會被這些背景粒子遮蓋掉。這就好像一方面從消防水管喝水，同時還要用你的牙齒搜出幾粒很小的金子。

幸好，科學家知道自己要尋找的是什麼。在度過LHC啟動初期所遇上的災難性意外（2008年LHC啟動九天之後，連接兩個磁鐵的電路接頭發熱並熔化了，產生巨大的火花，刺穿附近的容器，因而釋出了幾公噸的氦氣，把幾十個昂貴的超導磁鐵從支座上扯了下來）之後，對撞機在2011年間已經蒐集了很多數據，足以看到希格斯粒子的初步跡象。

在LHC於2011年10月停止運轉（這是事先排定的冬季停機）之後，ATLAS的發言人吉亞諾提（Fabiola Gianotti）與當時CMS的發言人、同時也是本文作者之一的東奈里，於12月中在擠滿了人的CERN大講堂，一起給了一場特別的學術演講。這兩個實驗團隊都從數據中看到意味著希格斯粒子存在的跡象。

此外，這些希格斯粒子的跡象也相互呼應。ATLAS與CMS都看到了兩個總能量為125GeV（GeV為10億電子伏特，是粒子物理的質量與能量標準單位，大約等於一個質子的質量）光子射出的事例，這些事例的次數比預期的背景值還多上數十個。如果質子碰撞產生了壽命很短的希格斯玻色子，它們可以衰變成兩個光子，而這兩個實驗也都發現，總能量約為125GeV的四個帶電荷輕子（電子或緲子）射出的事例數量比背景值高，它們可能來自希格斯粒子。這種情況前所未見，表示某種真實的東西開始要從數據中浮現。

不過由於粒子物理的標準很嚴格，2011年的一切訊號尚未強到足以宣稱「發現」了希格斯粒子。在過去，類似的數據訊號經常後來就消失無蹤，也就是它們只是隨機的漲落而已。LHC在今年春季成功運轉，11個星期間的質子碰撞次數就比2011年一整年還要多，蒐集的更多數據可以輕易地把去年看到的跡象給抹除掉，讓它們淹沒於背景雜訊之中。

當然，也可能出現相反的情況。如果之前的跡象的確來自真實的希格斯粒子，而不僅是殘酷的統計漲落，則所有的新數據將提供研究人員絕佳的機會，得以宣稱正式發現了希格斯粒子，讓數十年的搜尋劃下句點，並開啟了解物質與宇宙的全新時代。

漫漫追尋30年

希格斯玻色子從來就不是另一個粒子而已，因為現代粒子物理是由一組環環相扣的理論構成的，稱為標準模型，而希格斯粒子正是標準模型這個宏偉智性體系的基石。英國愛丁堡大學的希格斯（Peter W. Higgs）在1964年提出有這樣一個粒子存在，它是一種微妙機制的必然結果，這個機制賦予基本粒子質量；比利時布魯塞爾大學的翁勒（Francois Englert）與布饒特（Robert Brout）以及英國倫敦皇家學院的三位研究人員也獨立提出了這個機制：宇宙的每個角落都充滿了一種難以捉摸、極纖細的流體（稱為希格斯場），它讓基本粒子帶有各自的質量，希格斯粒子即是這種流體的實體展現。由於人們在1970年代發現了夸克與膠子，到了1980年代初，質量很大的、傳遞弱核力的W玻色子與Z玻色子也被發現了，大部份的標準模型便已很精巧地組合起來。

雖然理論學家宣稱希格斯粒子（或某種很像它的東西）必須存在，卻無法預測它的質量，再加上其他的因素，尋找希格斯粒子的研究人員沒有太多線索可循。早在1984年，人們便以為看到了這樣一個粒子，因為似乎有一個質量小於九倍質子質量的粒子，出現於位於德國漢堡、翻新之後的低能量電子正子對撞機。它看似希格斯粒子，但是在進一步研究後，這個初步的可能性便被排除了。

多數理論學家同意希格斯粒子的質量應該更高上10~100倍。如果是這樣，我們就需要一座遠比費米國家實驗室的正負質子對撞機（Tevatron）更大、能量更高的對撞機，才足以發現希格斯粒子。Tevatron是周長為六公里的質子–反質子對撞機，完成於1983年。同一年，CERN開始建造花費10億美元的大型電子正子對撞機（LEP），在日內瓦附近挖了周長為27公里的圓形地道，四度跨越法國與瑞士國境。雖然LEP有其他重要的物理目標，希格斯粒子仍是它最想捕捉的對象之一。

美國粒子物理學家受到雷根government鼓勵要有「大想法」，在1980年代後期推動了一個計畫，要建造更大許多、價值高達數十億美元的加速器：超級超導對撞機（SSC）。在此對撞機中，質子與質子碰撞的能量為40兆電子伏特（即40TeV或4萬Gev），即便希格斯粒子的質量高達1000GeV左右，SSC也尋捕得到它。

但是在SSC的建造預算幾乎漲了一倍，變成100億美元之後，美國國會於1993年投票通過中止SSC計畫。失望之餘，美國的希格斯獵人只好回到費米實驗室或CERN繼續研究。很快地，LEP與Tevatron的發現與精密測量便暗示著希格斯玻色子質量應該不會高於200GeV，這表示這些加速器都有潛力發現希格斯粒子。不過，10多年的追尋都沒有發現希格斯粒子的堅實證據。

在LEP於2000年夏天的最後一次運轉期間，物理學家決定把碰撞能量拉高至機器依設計所能承擔的範圍之外。這時希格斯玻色子的跡象便開始出現。到了9月，LEP四個實驗的其中兩個發現了幾個這種事例：電子與正子碰撞後產生一個Z玻色子，以及另一個能衰變成兩個底夸克的神秘粒子，看起來很像是質量為115GeV的希格斯粒子。CERN當時的主任麥亞尼（Luciano Maiani）因而允許LEP在秋天多運轉六個星期，可惜那段時間研究人員只能再多看到一件可能的事例，根本不夠。經過激烈的辯論，麥亞尼決定不再延長LEP的壽命，而將它關閉，並開始已規劃好的工程：把LEP轉換成設計來尋找希格斯粒子的LHC。

為希格斯粒子而設計

LHC是有史以來最驚人的高科技組合。它是由數百位加速器物理學家與工程師，在計畫經理艾萬斯（Lyndon Evans）的領導之下，於原來LEP的地道裡建造的，但它並沒有用上什麼LEP遺留下來的東西。LHC的主要組件包括1200多個超導偶極磁鐵，每個磁鐵看起來是15公尺長的閃亮圓柱，價值約100萬美元。這些磁鐵由法國、德國和義大利的廠商建造，它們或許是人類大量製造出來的最複雜組件，包裹著兩條射束管，而射束管外圍又環繞著鈮鈦磁鐵線圈，磁鐵線圈又浸在溫度低至1.9K的液態氦裡。在射束管中，有兩條能量可高至7TeV的質子束，以近乎光速雙向繞行。

LHC的質子束比較類似雷射脈衝，而不像手電筒光束：每條質子束是由約1400群質子所構成，每群質子的數目可高達1500億個，大約跟銀河系中的恆星一樣多。在正常情況下，每群質子互相穿越時，會發生10~30次的質子碰撞，相當於每秒會發生約五億次碰撞。

質子碰撞遠比電子正子碰撞要來得雜亂，美國加州理工學院的理論物理學家費曼曾經把質子碰撞過程比喻成垃圾桶與垃圾桶相撞，使得很多垃圾散落各處。質子是由夸克與膠子構成的，在最有意思的碰撞事例中，兩個膠子會以超過100GeV（有時甚至高達1000GeV）的能量相撞。物理學家利用精密的偵測器、特製的電子儀器與最先進的電腦，試圖從數十億個事例中過濾出那些代表有趣物理的少數幾個事例。

ATLAS與CMS無法直接觀測到希格斯粒子，因為它會很快就衰變成其他粒子，這兩個實驗所尋找的是希格斯粒子在質子對撞後被創造出來的證據。希格斯粒子可以衰變成各種更輕的粒子，其細節取決於希格斯粒子的質量為何。到了2011年，大家的關注點開始聚焦於兩種罕見的衰變過程——衰變成兩個光子或是四個帶電荷輕子，原因是除了這兩種罕見但突出的訊號以外，其他希格斯訊號很容易被過多的背景訊號所掩蓋。

2008年的磁鐵意外災難延緩了LHC的進度，因此費米實驗室的物理學家獲得了搶先發現希格斯粒子的最後一次機會。就在Tevatron預計於2011年9月關閉之前，在Tevatron做實驗的對撞偵測器（CDF）與D-zero兩組團隊發現了一點跡象，即總能量在125GeV與155GeV之間的底夸克–反底夸克對產生的次數比背景值稍微多了一點。但是就和之前LEP在關閉前才看到某些跡象時的情況一樣，研究人員無法說服實驗室主管暫緩關閉Tevatron，所以過沒多久，Tevatron就關閉了，而今年3月，費米實驗室的這群物理學家提出了更詳細的分析，顯示在125GeV有個東西，這支持了CERN的結果。

重要證據出爐

到了2012年5月，LHC產生數據的速度比Tevatron的最高速度快了15倍，這得歸功於加速器主任邁爾茲（Stephen Myers）領導的物理學家與操作員。這次運轉是ATLAS與CMS的數千位物理學家20多年工作的最高潮，他們建造並且操作了偵測器、設計並且運作了一座可把數據分配到世界各地的電腦系統、創造了嶄新的硬體與電腦軟體以辨認出最有意思的碰撞、寫下可以在龐大的數據記錄中挖掘出最相關事例的演算法……他們帶著期盼的心情狂熱地工作。所以，當研究人員在6月中打開數據組時，他們有洪流般的數據要過濾。在研究生與博士後研究員挑燈夜戰之後，他們迫不及待地準備公佈結果。

在6月15日那個炎熱的下午，CMS物理學家開始聚集於CERN的過濾工廠222室，準備聽年輕物理學家的報告。很快地，這個房間擠滿了幾百位團隊成員（CMS團隊總人數約3000名），很多人站著或坐在地上，多數前一晚沒怎麼睡，房間裡的氣氛既緊張又興奮。

第一位講員討論了希格斯粒子衰變的一個可能途徑，即衰變成一對W玻色子。數據顯示這一途徑在最令人感興趣的低質量區域，其事例數目比背景值稍大一些，但是微弱的訊號引不起大家太大的興趣。接下來就是關於四個輕子衰變的報告與雙光子衰變的報告，現在希格斯粒子的確看起來終於現身了。2012年的數據顯示，六個月前如此誘人的訊號再次出現，同樣在125GeV附近。科學家幾乎馬上體認到如果將新數據與2011年的結果合併起來，CMS便有很大的機會可以宣稱發現了希格斯玻色子。大家在這兩場關鍵報告結束之後，歡呼了起來。

在ATLAS那邊也出現了類似的結果。當研究人員查看了新數據之後，好幾組人員便自發性地慶賀起來。但是這些物理學家仍必須日夜加班工作一個星期之後，才能有把握地說，所看到的訊號來自於隨機漲落的機率小於300萬分之一；以術語講，這就是粒子物理學家所嚴格要求的「5σ」訊號，只有這樣的訊號才足以讓他們宣稱訊號真正發現了東西。當他們體會到此事的時候，如雷的掌聲與興奮的歡呼聲此起彼落。

到了這時候，發現新粒子的消息已經洩露出去了。全世界對這件事的興趣高漲到大家都在積極探聽，但是在正式公佈結果之前，消息沒有更進一步走漏，特別是因為正在準備的文件其詳細內容可能改變。ATLAS團隊成員不可以和CMS物理學家談論最新的結果，反之亦然。不過個別的物理學家卻忍不住要去談論這眾人等待已久的新聞，CERN走廊與餐廳中的竊竊私語意味著大事要發生了，因此趕快公開的壓力很快就節節升高。

CERN的主任霍爾（Rolf-Dieter Heuer）在今年6月22日，和ATLAS發言人吉亞諾提以及CMS發言人、美國加州大學聖巴巴拉分校的因坎德拉（Joseph Incandela，即本文作者東奈里的繼任者）會面，因而先看到了兩個實驗的結果，他當下判斷證據已經夠強，可以向大眾公開。霍爾馬上通知CERN理事會，讓他們能夠跟得上這快速的進展，並決定於7月4日在CERN舉行一場共同發表會，這個時間是為了配合在澳洲墨爾本舉行的第36屆國際高能物理會議的開幕，在發表會之後緊接著開記者會。

在發表會前一晚，數百位物理學家熬夜等在（關著的）主講堂外面走廊上，急切希望能夠佔到講堂內開放的座位。加速器主任邁爾茲、計畫經理艾萬斯以及參與LHC籌劃與建造的四位CERN前主任坐在第一排。希格斯本人才剛飛至日內瓦，他走進講堂時，歡迎的掌聲不斷，他走到翁勒旁邊坐下。

首先是因坎德拉，接著是吉亞諾提，兩人秀出了一大堆的圖片，以呈現新數據與結果，大半是關於2012年的測量。和去年12月時類似，雙光子的數據圖顯示125~126GeV之間有明顯的峰值。今年實驗也同樣發現總能量約為125GeV的四個帶電荷輕子射出的事例，而且這一回此類事例的數目超過背景值10幾個，顯示有一個很重的粒子衰變成四個帶電荷輕子，因此這個衰變途徑的數據也開始出現了些微的突起。

這個衰變途徑給了我們信心。把四個輕子與雙光子的結果合併起來，CMS和ATLAS兩個實驗的獨立結論就是：這一切只是巧合（訊號來自隨機漲落）的機率小於300萬分之一。訊號一定是真的！當攝影機鏡頭轉向希格斯時，我們看到他拿出手帕擦拭眼淚。

發表會結束時，掌聲停不下來，霍爾非常興奮地總結：「我想我們找到它了。」又說：「我們有了一項發現……」然後還是審慎地用上了那個關鍵名詞說：「我們已經觀察到一個新粒子，它符合我們要找的希格斯玻色子。」

邁向物理新時代

現在已少有物理學家不相信人們找到了一個大質量的新粒子。但是到底這是個什麼樣的粒子？CERN的物理學家非常謹慎地談論這個問題，他們稱呼這個粒子為「類希格斯玻色子」，並堅持需要更多的數據才能確認其性質。CERN其實也還沒有百分之百證明新粒子的自旋為零，就如標準模型所要求的那般；不過若將LHC的數據和Tevatron的數據（於7月2日發表，顯然是為了也能沾點光）對比，新粒子的自旋的確似乎為零。此外，ATLAS與CMS實驗所蒐集的雙光子事例數目比標準模型的預測要更高一些，是否出了什麼差錯？或是這點差異暗示著什麼有趣的新物理？

目前實驗與理論的關注焦點在於確認新粒子是否正是標準模型所預測的希格斯粒子。要解決這個問題，我們需要更多的數據以及精確測量這個新粒子如何衰變成其他粒子。兩個團隊於7月底發表的正式論文中，包括更多的衰變途徑數據，它們並沒有違背標準模型。CMS的論文依舊描述了一項「5σ」的發現，但是ATLAS的結果卻更強了。CERN的理論學家艾里斯（John Ellis）與游（Tevong You）初步分析了LHC與Tevatron的合併數據，其結論是，以他們的話來講，新粒子「走起來、叫起來的確非常像是希格斯玻色子」。

新粒子與一對高能量的光子的關聯引發了聯想。因為希格斯場賦予基本粒子質量，所以它應該和較重的粒子有更強的交互作用。光子沒有質量，所以希格斯粒子不會直接和光子作用，它衰變成光子的機制涉及了其他帶質量的粒子。額外的帶質量粒子（超對稱與其他理論要求這種粒子存在）會增強雙光子衰變過程，而最早的數據似乎就意味著的確如此。如果這個傾向持續存在，這就表示存在著超越標準模型的物理現象。

新粒子的發現是劃時代的。它代表一個很長的粒子物理時代的結束，以及一個令人興奮的新時代的來臨——研究TeV能量尺度物理現象的時代。這個物理領域在消沉了幾十年之後，如今又因理論與實驗的熱烈交流而重啟生機。如果進一步研究這個有趣粒子或其可能的夥伴，許多問題或許就可以找到答案。這個粒子是否在暴脹機制（此機制被認為是驅動宇宙大霹靂起源的力量）中扮演了一個角色？它是否和宇宙中的暗物質粒子有交互作用？什麼高能量機制或過程（如果存在）會防止脆弱的真空變成不穩定（這種不穩定性會威脅到我們的生存）？

儘管我們慶賀著標準模型的成功，但質量如此小的希格斯玻色子，應該對於超越標準模型的物理極端敏感。這粒子成為很棒的實驗對象：它的性質是否完全符合理論的預測？最初數據與預測之間的矛盾可能來自隨機漲落，因而在未來幾個月就會消失；但這個矛盾也可能暗示著微妙的新物理。

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【大事年表】希格斯粒子50年

今年夏天發現了類希格斯粒子，代表數十年的追尋走到了終點。在粒子物理標準模型成形之前的幾年，物理學家體認到他們無法解釋粒子何以應該帶有質量。一連串的理論洞見引導出一個想法：一種新的場（現稱為希格斯場）能夠讓粒子慢下來並賦予它們慣性。這個場應該有個隨附的粒子，所以物理學家便開始了對於希格斯粒子的追尋。

1964年8月論文出爐

有三篇論文提出一種機制以及一種粒子，後來以希格斯為名。翁勒與布饒特發表了三篇論文中的第一篇。希格斯的論文為第二篇，發表於兩週之後。古拉尼克、哈根與奇波於11月發表了第三篇論文。

1979年8月發現膠子

科學家首先在德國電子同步加速器（DESY）觀察到膠子，亦即負責核力的粒子。根據理論學家的計算，膠子的融合會比任何其他過程產生更多希格斯玻色子。

1983年1月發現W玻色子

當CERN的超級質子同步加速器首次發現W玻色子，科學家便找到了標準模型最後欠缺的拼圖之一。

1989年7月新對撞機啟動

為了追尋更遠大的目標，CERN在27公里長的環形地道裡建造了大型電子正子對撞機（LEP）。

2000年9月尋找希格斯粒子的最後衝刺

正當LEP依預定計畫要永久關閉時，科學家偵測到了希格斯玻色子的跡象。管理當局便允許LEP多運轉六個星期，並把碰撞能量推高到超過機器的設計值，但終究一無所獲。我們現在知道那微弱的跡象並非希格斯粒子，因為質量不符。

2000年11月2日一個時代的結束

CERN關閉了LEP對撞機，以便開始建造大強子對撞機（LHC），它最終找到了希格斯粒子。

2008年9月10日一切妥當

剛完成的LHC完成了首次質子束繞行。

2008年9月19日災難來臨

連接兩個磁鐵的電路接頭發熱並熔化掉，巨大的火花刺穿了磁鐵的容器，釋放出幾公噸的氦氣，超過50個超導磁鐵因而從支座上被扯下來，或者是被毀掉了。

2012年7月4日發現類希格斯粒子

CERN科學家宣佈他們在125GeV發現了一個類希格斯粒子。



（本文由科學人提供，原載於2012年11月號科學人）

好长一篇废话。

法拉利ss 发表于 2012-11-20 20:33

                               
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好长一篇废话。

既然是废话，那就直接无视它吧！！

天道无极 发表于 2012-11-20 20:39

                               
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既然是废话，那就直接无视它吧！！

这么多文字，真的有新意的，独特的观点是什么？花了几分钟时间来认真看，前面部分令人发困，就象一冷饭，不停的热了又热，端上来又没人吃。

自己顶一下～～

不错。拜读了。谢谢！

这篇文章的作者具有很高的科学素养

传说中的已更新……

简体原文：

重点提要

■ 希格斯玻色子（Higgs boson）是标準模型中还没找到的最后一块拼图。物理学家几十年来不断努力想侦测它，但都未能成功。

■ 位於欧洲核子研究组织（CERN）大强子对撞机（LHC）的两个巨大实验：超导环场探测器（ATLAS）与紧緻渺子螺管侦测器（CMS），已经在2011年底找到希格斯玻色子的跡象。当时物理学家希望在2012年春天的运转所產生的数据中，可以发现希格斯粒子。

■ 物理学家把2012年春天蒐集到的数据藏了起来，甚至自己也不能看，如此进行的「盲分析」才不会带进偏见。到了6月中，他们才首次查看新证据。

■ 在数据中出现的「类希格斯」粒子具有很多物理学家在寻找的性质。它的某些初期跡象令人惊讶，可能指引了物理的未来。



2012年6月14日深夜，一群群在大强子对撞机（LHC）工作的博士后研究员以及研究生，开始查看一个刚打开的数据快记区。LHC这座巨大加速器坐落於日内瓦附近的欧洲核子研究组织（CERN），几个月前，它才从冬天休眠状态甦醒过来；自那时起，LHC已经產生了极大量的数据。但是LHC最大两个实验组的6000多名物理学家，却很怕他们在分析数据之时，无意间加进了自己的主观偏见，因此他们相约在6月中前完全不去知道结果，也就是执行所谓的「盲分析」，一直要等到6月中，在发狂挑灯夜战之后，才揭开答案。

眾多年轻科学家彻夜分析刚开放的数据。虽然LHC这个巨大的对撞机「餵养」了很多实验，但是只有其中两个最大的实验：超导环场探测器（ATLAS）与紧緻渺子螺管侦测器（CMS），才担负著寻找希格斯玻色子（Higgs boson）的责任，这个大家找寻已久的粒子是粒子物理标準模型（即次原子世界的理论架构）唯一还没补足的拼图片。质子在这两个实验的庞大侦测器裡对撞，產生的次原子碎片源源喷出，由侦测器记录下来。对於这些碰撞残餘物仔细且独立的分析，可能揭露一闪即过的新现象，其中或许包括那难以捉摸的希格斯粒子。但是侦测器必须过滤大量的粒子轨跡以及留下的能量，在此同时，还得忍受低能量背景粒子的不停衝击，而有趣的讯号可能会被这些背景粒子遮盖掉。这就好像一方面从消防水管喝水，同时还要用你的牙齿搜出几粒很小的金子。

幸好，科学家知道自己要寻找的是什麼。在度过LHC啟动初期所遇上的灾难性意外（2008年LHC啟动九天之后，连接两个磁铁的电路接头发热并熔化了，產生巨大的火花，刺穿附近的容器，因而释出了几公吨的氦气，把几十个昂贵的超导磁铁从支座上扯了下来）之后，对撞机在2011年间已经蒐集了很多数据，足以看到希格斯粒子的初步跡象。

在LHC於2011年10月停止运转（这是事先排定的冬季停机）之后，ATLAS的发言人吉亚诺提（Fabiola Gianotti）与当时CMS的发言人、同时也是本文作者之一的东奈里，於12月中在挤满了人的CERN大讲堂，一起给了一场特别的学术演讲。这两个实验团队都从数据中看到意味著希格斯粒子存在的跡象。

此外，这些希格斯粒子的跡象也相互呼应。ATLAS与CMS都看到了两个总能量為125GeV（GeV為10亿电子伏特，是粒子物理的质量与能量标準单位，大约等於一个质子的质量）光子射出的事例，这些事例的次数比预期的背景值还多上数十个。如果质子碰撞產生了寿命很短的希格斯玻色子，它们可以衰变成两个光子，而这两个实验也都发现，总能量约為125GeV的四个带电荷轻子（电子或渺子）射出的事例数量比背景值高，它们可能来自希格斯粒子。这种情况前所未见，表示某种真实的东西开始要从数据中浮现。

不过由於粒子物理的标準很严格，2011年的一切讯号尚未强到足以宣称「发现」了希格斯粒子。在过去，类似的数据讯号经常后来就消失无踪，也就是它们只是随机的涨落而已。LHC在今年春季成功运转，11个星期间的质子碰撞次数就比2011年一整年还要多，蒐集的更多数据可以轻易地把去年看到的跡象给抹除掉，让它们淹没於背景杂讯之中。

当然，也可能出现相反的情况。如果之前的跡象的确来自真实的希格斯粒子，而不仅是残酷的统计涨落，则所有的新数据将提供研究人员绝佳的机会，得以宣称正式发现了希格斯粒子，让数十年的搜寻划下句点，并开啟了解物质与宇宙的全新时代。

漫漫追寻30年

希格斯玻色子从来就不是另一个粒子而已，因為现代粒子物理是由一组环环相扣的理论构成的，称為标準模型，而希格斯粒子正是标準模型这个宏伟智性体系的基石。英国爱丁堡大学的希格斯（Peter W. Higgs）在1964年提出有这样一个粒子存在，它是一种微妙机制的必然结果，这个机制赋予基本粒子质量；比利时布鲁塞尔大学的翁勒（Francois Englert）与布饶特（Robert Brout）以及英国伦敦皇家学院的三位研究人员也独立提出了这个机制：宇宙的每个角落都充满了一种难以捉摸、极纤细的流体（称為希格斯场），它让基本粒子带有各自的质量，希格斯粒子即是这种流体的实体展现。由於人们在1970年代发现了夸克与胶子，到了1980年代初，质量很大的、传递弱核力的W玻色子与Z玻色子也被发现了，大部份的标準模型便已很精巧地组合起来。

虽然理论学家宣称希格斯粒子（或某种很像它的东西）必须存在，却无法预测它的质量，再加上其他的因素，寻找希格斯粒子的研究人员没有太多线索可循。早在1984年，人们便以為看到了这样一个粒子，因為似乎有一个质量小於九倍质子质量的粒子，出现於位於德国汉堡、翻新之后的低能量电子正子对撞机。它看似希格斯粒子，但是在进一步研究后，这个初步的可能性便被排除了。

多数理论学家同意希格斯粒子的质量应该更高上10~100倍。如果是这样，我们就需要一座远比费米国家实验室的正负质子对撞机（Tevatron）更大、能量更高的对撞机，才足以发现希格斯粒子。Tevatron是周长為六公里的质子–反质子对撞机，完成於1983年。同一年，CERN开始建造花费10亿美元的大型电子正子对撞机（LEP），在日内瓦附近挖了周长為27公里的圆形地道，四度跨越法国与瑞士国境。虽然LEP有其他重要的物理目标，希格斯粒子仍是它最想捕捉的对象之一。

美国粒子物理学家受到雷根government鼓励要有「大想法」，在1980年代后期推动了一个计画，要建造更大许多、价值高达数十亿美元的加速器：超级超导对撞机（SSC）。在此对撞机中，质子与质子碰撞的能量為40兆电子伏特（即40TeV或4万Gev），即便希格斯粒子的质量高达1000GeV左右，SSC也寻捕得到它。

但是在SSC的建造预算几乎涨了一倍，变成100亿美元之后，美国国会於1993年投票通过中止SSC计画。失望之餘，美国的希格斯猎人只好回到费米实验室或CERN继续研究。很快地，LEP与Tevatron的发现与精密测量便暗示著希格斯玻色子质量应该不会高於200GeV，这表示这些加速器都有潜力发现希格斯粒子。不过，10多年的追寻都没有发现希格斯粒子的坚实证据。

在LEP於2000年夏天的最后一次运转期间，物理学家决定把碰撞能量拉高至机器依设计所能承担的范围之外。这时希格斯玻色子的跡象便开始出现。到了9月，LEP四个实验的其中两个发现了几个这种事例：电子与正子碰撞后產生一个Z玻色子，以及另一个能衰变成两个底夸克的神秘粒子，看起来很像是质量為115GeV的希格斯粒子。CERN当时的主任麦亚尼（Luciano Maiani）因而允许LEP在秋天多运转六个星期，可惜那段时间研究人员只能再多看到一件可能的事例，根本不够。经过激烈的辩论，麦亚尼决定不再延长LEP的寿命，而将它关闭，并开始已规划好的工程：把LEP转换成设计来寻找希格斯粒子的LHC。

為希格斯粒子而设计

LHC是有史以来最惊人的高科技组合。它是由数百位加速器物理学家与工程师，在计画经理艾万斯（Lyndon Evans）的领导之下，於原来LEP的地道裡建造的，但它并没有用上什麼LEP遗留下来的东西。LHC的主要组件包括1200多个超导偶极磁铁，每个磁铁看起来是15公尺长的闪亮圆柱，价值约100万美元。这些磁铁由法国、德国和义大利的厂商建造，它们或许是人类大量製造出来的最复杂组件，包裹著两条射束管，而射束管外围又环绕著鈮鈦磁铁线圈，磁铁线圈又浸在温度低至1.9K的液态氦裡。在射束管中，有两条能量可高至7TeV的质子束，以近乎光速双向绕行。

LHC的质子束比较类似雷射脉衝，而不像手电筒光束：每条质子束是由约1400群质子所构成，每群质子的数目可高达1500亿个，大约跟银河系中的恒星一样多。在正常情况下，每群质子互相穿越时，会发生10~30次的质子碰撞，相当於每秒会发生约五亿次碰撞。

质子碰撞远比电子正子碰撞要来得杂乱，美国加州理工学院的理论物理学家费曼曾经把质子碰撞过程比喻成垃圾桶与垃圾桶相撞，使得很多垃圾散落各处。质子是由夸克与胶子构成的，在最有意思的碰撞事例中，两个胶子会以超过100GeV（有时甚至高达1000GeV）的能量相撞。物理学家利用精密的侦测器、特製的电子仪器与最先进的电脑，试图从数十亿个事例中过滤出那些代表有趣物理的少数几个事例。

ATLAS与CMS无法直接观测到希格斯粒子，因為它会很快就衰变成其他粒子，这两个实验所寻找的是希格斯粒子在质子对撞后被创造出来的证据。希格斯粒子可以衰变成各种更轻的粒子，其细节取决於希格斯粒子的质量為何。到了2011年，大家的关注点开始聚焦於两种罕见的衰变过程——衰变成两个光子或是四个带电荷轻子，原因是除了这两种罕见但突出的讯号以外，其他希格斯讯号很容易被过多的背景讯号所掩盖。

2008年的磁铁意外灾难延缓了LHC的进度，因此费米实验室的物理学家获得了抢先发现希格斯粒子的最后一次机会。就在Tevatron预计於2011年9月关闭之前，在Tevatron做实验的对撞侦测器（CDF）与D-zero两组团队发现了一点跡象，即总能量在125GeV与155GeV之间的底夸克–反底夸克对產生的次数比背景值稍微多了一点。但是就和之前LEP在关闭前才看到某些跡象时的情况一样，研究人员无法说服实验室主管暂缓关闭Tevatron，所以过没多久，Tevatron就关闭了，而今年3月，费米实验室的这群物理学家提出了更详细的分析，显示在125GeV有个东西，这支持了CERN的结果。

重要证据出炉

到了2012年5月，LHC產生数据的速度比Tevatron的最高速度快了15倍，这得归功於加速器主任迈尔兹（Stephen Myers）领导的物理学家与操作员。这次运转是ATLAS与CMS的数千位物理学家20多年工作的最高潮，他们建造并且操作了侦测器、设计并且运作了一座可把数据分配到世界各地的电脑系统、创造了崭新的硬体与电脑软体以辨认出最有意思的碰撞、写下可以在庞大的数据记录中挖掘出最相关事例的演算法……他们带著期盼的心情狂热地工作。所以，当研究人员在6月中打开数据组时，他们有洪流般的数据要过滤。在研究生与博士后研究员挑灯夜战之后，他们迫不及待地準备公佈结果。

在6月15日那个炎热的下午，CMS物理学家开始聚集於CERN的过滤工厂222室，準备听年轻物理学家的报告。很快地，这个房间挤满了几百位团队成员（CMS团队总人数约3000名），很多人站著或坐在地上，多数前一晚没怎麼睡，房间裡的气氛既紧张又兴奋。

第一位讲员讨论了希格斯粒子衰变的一个可能途径，即衰变成一对W玻色子。数据显示这一途径在最令人感兴趣的低质量区域，其事例数目比背景值稍大一些，但是微弱的讯号引不起大家太大的兴趣。接下来就是关於四个轻子衰变的报告与双光子衰变的报告，现在希格斯粒子的确看起来终於现身了。2012年的数据显示，六个月前如此诱人的讯号再次出现，同样在125GeV附近。科学家几乎马上体认到如果将新数据与2011年的结果合併起来，CMS便有很大的机会可以宣称发现了希格斯玻色子。大家在这两场关键报告结束之后，欢呼了起来。

在ATLAS那边也出现了类似的结果。当研究人员查看了新数据之后，好几组人员便自发性地庆贺起来。但是这些物理学家仍必须日夜加班工作一个星期之后，才能有把握地说，所看到的讯号来自於随机涨落的机率小於300万分之一；以术语讲，这就是粒子物理学家所严格要求的「5σ」讯号，只有这样的讯号才足以让他们宣称讯号真正发现了东西。当他们体会到此事的时候，如雷的掌声与兴奋的欢呼声此起彼落。

到了这时候，发现新粒子的消息已经洩露出去了。全世界对这件事的兴趣高涨到大家都在积极探听，但是在正式公佈结果之前，消息没有更进一步走漏，特别是因為正在準备的文件其详细内容可能改变。ATLAS团队成员不可以和CMS物理学家谈论最新的结果，反之亦然。不过个别的物理学家却忍不住要去谈论这眾人等待已久的新闻，CERN走廊与餐厅中的窃窃私语意味著大事要发生了，因此赶快公开的压力很快就节节升高。

CERN的主任霍尔（Rolf-Dieter Heuer）在今年6月22日，和ATLAS发言人吉亚诺提以及CMS发言人、美国加州大学圣巴巴拉分校的因坎德拉（Joseph Incandela，即本文作者东奈里的继任者）会面，因而先看到了两个实验的结果，他当下判断证据已经够强，可以向大眾公开。霍尔马上通知CERN理事会，让他们能够跟得上这快速的进展，并决定於7月4日在CERN举行一场共同发表会，这个时间是為了配合在澳洲墨尔本举行的第36届国际高能物理会议的开幕，在发表会之后紧接著开记者会。

在发表会前一晚，数百位物理学家熬夜等在（关著的）主讲堂外面走廊上，急切希望能够佔到讲堂内开放的座位。加速器主任迈尔兹、计画经理艾万斯以及参与LHC筹划与建造的四位CERN前主任坐在第一排。希格斯本人才刚飞至日内瓦，他走进讲堂时，欢迎的掌声不断，他走到翁勒旁边坐下。

首先是因坎德拉，接著是吉亚诺提，两人秀出了一大堆的图片，以呈现新数据与结果，大半是关於2012年的测量。和去年12月时类似，双光子的数据图显示125~126GeV之间有明显的峰值。今年实验也同样发现总能量约為125GeV的四个带电荷轻子射出的事例，而且这一回此类事例的数目超过背景值10几个，显示有一个很重的粒子衰变成四个带电荷轻子，因此这个衰变途径的数据也开始出现了些微的突起。

这个衰变途径给了我们信心。把四个轻子与双光子的结果合併起来，CMS和ATLAS两个实验的独立结论就是：这一切只是巧合（讯号来自随机涨落）的机率小於300万分之一。讯号一定是真的！当摄影机镜头转向希格斯时，我们看到他拿出手帕擦拭眼泪。

发表会结束时，掌声停不下来，霍尔非常兴奋地总结：「我想我们找到它了。」又说：「我们有了一项发现……」然后还是审慎地用上了那个关键名词说：「我们已经观察到一个新粒子，它符合我们要找的希格斯玻色子。」

迈向物理新时代

现在已少有物理学家不相信人们找到了一个大质量的新粒子。但是到底这是个什麼样的粒子？CERN的物理学家非常谨慎地谈论这个问题，他们称呼这个粒子為「类希格斯玻色子」，并坚持需要更多的数据才能确认其性质。CERN其实也还没有百分之百证明新粒子的自旋為零，就如标準模型所要求的那般；不过若将LHC的数据和Tevatron的数据（於7月2日发表，显然是為了也能沾点光）对比，新粒子的自旋的确似乎為零。此外，ATLAS与CMS实验所蒐集的双光子事例数目比标準模型的预测要更高一些，是否出了什麼差错？或是这点差异暗示著什麼有趣的新物理？

目前实验与理论的关注焦点在於确认新粒子是否正是标準模型所预测的希格斯粒子。要解决这个问题，我们需要更多的数据以及精确测量这个新粒子如何衰变成其他粒子。两个团队於7月底发表的正式论文中，包括更多的衰变途径数据，它们并没有违背标準模型。CMS的论文依旧描述了一项「5σ」的发现，但是ATLAS的结果却更强了。CERN的理论学家艾里斯（John Ellis）与游（Tevong You）初步分析了LHC与Tevatron的合併数据，其结论是，以他们的话来讲，新粒子「走起来、叫起来的确非常像是希格斯玻色子」。

新粒子与一对高能量的光子的关联引发了联想。因為希格斯场赋予基本粒子质量，所以它应该和较重的粒子有更强的交互作用。光子没有质量，所以希格斯粒子不会直接和光子作用，它衰变成光子的机制涉及了其他带质量的粒子。额外的带质量粒子（超对称与其他理论要求这种粒子存在）会增强双光子衰变过程，而最早的数据似乎就意味著的确如此。如果这个倾向持续存在，这就表示存在著超越标準模型的物理现象。

新粒子的发现是划时代的。它代表一个很长的粒子物理时代的结束，以及一个令人兴奋的新时代的来临——研究TeV能量尺度物理现象的时代。这个物理领域在消沉了几十年之后，如今又因理论与实验的热烈交流而重啟生机。如果进一步研究这个有趣粒子或其可能的伙伴，许多问题或许就可以找到答案。这个粒子是否在暴胀机制（此机制被认為是驱动宇宙大霹靂起源的力量）中扮演了一个角色？它是否和宇宙中的暗物质粒子有交互作用？什麼高能量机制或过程（如果存在）会防止脆弱的真空变成不稳定（这种不稳定性会威胁到我们的生存）？

儘管我们庆贺著标準模型的成功，但质量如此小的希格斯玻色子，应该对於超越标準模型的物理极端敏感。这粒子成為很棒的实验对象：它的性质是否完全符合理论的预测？最初数据与预测之间的矛盾可能来自随机涨落，因而在未来几个月就会消失；但这个矛盾也可能暗示著微妙的新物理。

【大事年表】希格斯粒子50年

今年夏天发现了类希格斯粒子，代表数十年的追寻走到了终点。在粒子物理标準模型成形之前的几年，物理学家体认到他们无法解释粒子何以应该带有质量。一连串的理论洞见引导出一个想法：一种新的场（现称為希格斯场）能够让粒子慢下来并赋予它们惯性。这个场应该有个随附的粒子，所以物理学家便开始了对於希格斯粒子的追寻。

1964年8月论文出炉

有三篇论文提出一种机制以及一种粒子，后来以希格斯為名。翁勒与布饶特发表了三篇论文中的第一篇。希格斯的论文為第二篇，发表於两週之后。古拉尼克、哈根与奇波於11月发表了第三篇论文。

1979年8月发现胶子

科学家首先在德国电子同步加速器（DESY）观察到胶子，亦即负责核力的粒子。根据理论学家的计算，胶子的融合会比任何其他过程產生更多希格斯玻色子。

1983年1月发现W玻色子

当CERN的超级质子同步加速器首次发现W玻色子，科学家便找到了标準模型最后欠缺的拼图之一。

1989年7月新对撞机啟动

為了追寻更远大的目标，CERN在27公里长的环形地道裡建造了大型电子正子对撞机（LEP）。

2000年9月寻找希格斯粒子的最后衝刺

正当LEP依预定计画要永久关闭时，科学家侦测到了希格斯玻色子的跡象。管理当局便允许LEP多运转六个星期，并把碰撞能量推高到超过机器的设计值，但终究一无所获。我们现在知道那微弱的跡象并非希格斯粒子，因為质量不符。

2000年11月2日一个时代的结束

CERN关闭了LEP对撞机，以便开始建造大强子对撞机（LHC），它最终找到了希格斯粒子。

2008年9月10日一切妥当

刚完成的LHC完成了首次质子束绕行。

2008年9月19日灾难来临

连接两个磁铁的电路接头发热并熔化掉，巨大的火花刺穿了磁铁的容器，释放出几公吨的氦气，超过50个超导磁铁因而从支座上被扯下来，或者是被毁掉了。

2012年7月4日发现类希格斯粒子

CERN科学家宣佈他们在125GeV发现了一个类希格斯粒子。