科學(xué)是如此一門學(xué)科，在其中，即使是此輩之愚者亦能超越上輩之智者。

——馬克斯·格盧克曼（Max Gluckman）

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）是歐洲核子研究中心（CERN）目前正在運(yùn)行和最為重要的實(shí)驗(yàn)裝置，其主要科學(xué)目標(biāo)包括精確檢驗(yàn)粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型、發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊基石——希格斯粒子，以及尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理信號(hào)等。

LHC 及其配套的六個(gè)探測(cè)器由八十多個(gè)國(guó)家的近萬名科學(xué)家，歷時(shí)二十年，花費(fèi)逾百億美元于2008 年在日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心（CERN）建成并試運(yùn)行，次年開始正式運(yùn)行。幾十年來，CERN 建造了包括著名的大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（LEP）在內(nèi)的若干不同類型的粒子物理、核物理實(shí)驗(yàn)裝置，產(chǎn)生過多項(xiàng)具有里程碑意義的重大科學(xué)研究成果，甚至現(xiàn)在風(fēng)靡全球、人們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡娜f維網(wǎng)（WWW）也發(fā)端于CERN 的實(shí)驗(yàn)室。

希格斯粒子

希格斯粒子究竟是什么？為什么花費(fèi)那么多時(shí)間、精力和財(cái)力都要找到它？

這要從標(biāo)準(zhǔn)模型理論開始講起，在標(biāo)準(zhǔn)理論中，大到不可思議的宇宙，小到難以想像的基本粒子，不勝枚舉的數(shù)據(jù)（主要來自物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)）都能夠被描述和預(yù)測(cè)，精確到嘆為觀止的地步，而需要的僅僅是一些基本元素：夸克、輕子、四種基本作用力，再加上希格斯玻色子。

在標(biāo)準(zhǔn)模型中，夸克和電子構(gòu)成了世界萬物，而它們本身不由任何東西構(gòu)成。但我們知道世界萬物是有質(zhì)量的，而質(zhì)量就來源于希格斯粒子（原本沒有質(zhì)量的基本粒子在宇宙冷卻的過程中獲得了質(zhì)量；希格斯場(chǎng)也通過自相互作用獲得了質(zhì)量，對(duì)應(yīng)的粒子即是標(biāo)量希格斯粒子）。

標(biāo)準(zhǔn)模型理論可以說是目前人類對(duì)微觀世界認(rèn)識(shí)方面的最高理論成就。標(biāo)準(zhǔn)模型是如此成功，模型所預(yù)言的各種現(xiàn)象不斷被證實(shí)，模型所需的基本組員也陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。2012年前，唯一的缺憾就是希格斯粒子還未找到。科學(xué)理論是對(duì)自然的解釋和描述，正確與否最終都要靠實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。如果得不到實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，再漂亮的理論，不論它看起來是多么玄妙，也不過是個(gè)假說，不會(huì)有長(zhǎng)久的生命力。

終于在2012年7月4日，這個(gè)必定成為人類科學(xué)史上一個(gè)重要日子的一天。這一天，兩個(gè)開展LHC物理研究的重要國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)組ATLAS 和CMS，同時(shí)宣布在各自的探測(cè)器上均發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子存在的跡象。

LHC

現(xiàn)在我們來詳細(xì)介紹一下LHC。在瑞士、法國(guó)邊境地下百米深處暗藏著一條環(huán)形隧道（圖1）。隧道全長(zhǎng)27 千米，里面藏著個(gè)龐然大物。它就是我們的主角：大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider，LHC）（圖2）。

圖1? LHC地理位置圖

【黃色小圓環(huán)為全長(zhǎng)7千米的超級(jí)質(zhì)子同步加速器，大圓環(huán)為全長(zhǎng)27千米的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。紅色和藍(lán)色圓環(huán)示意兩道質(zhì)子束運(yùn)動(dòng)軌跡和方向（入射箭頭表示質(zhì)子束注入），它們相交于四處，分別為四個(gè)主要探測(cè)器所在地。黑色實(shí)線表示LHC環(huán)道的八個(gè)等分區(qū)域，ATLAS在第一區(qū)域。CMS在第五區(qū)域?！?br>

圖2? CERN加速器設(shè)施群

【LHC為大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，SPS為超級(jí)質(zhì)子同步加速器，PS為質(zhì)子同步加速器，AD為反質(zhì)子減速器，CTF3為緊湊直線加速器測(cè)試設(shè)施，CNGS為從CERN到大薩索山中微子項(xiàng)目，ISOLDE為在線同位素分離器設(shè)置，LEIR為低能離子環(huán)，LINAC為直線加速器，n-ToF為中子飛行時(shí)間測(cè)量裝置?！?/p>

LHC 高能質(zhì)子–質(zhì)子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)裝有四個(gè)大型探測(cè)器，ATLAS 和CMS 就是其中的兩個(gè)多功能探測(cè)器，ATLAS 探測(cè)器非常龐大（圖3），它深藏地底，位于LHC 的一個(gè)對(duì)撞點(diǎn)上。這些對(duì)撞點(diǎn)，顧名思義，就是身懷全球最高能量的兩道粒子束對(duì)撞之處。

圖3? ATLAS探測(cè)器計(jì)算機(jī)模擬圖

大多數(shù)高能粒子物理的探測(cè)器都分布在粒子束對(duì)撞點(diǎn)周圍，它們洋蔥結(jié)構(gòu)的每一層都包含不同的技術(shù)，專門為了觀測(cè)對(duì)撞的各種不同效應(yīng)而設(shè)計(jì)（圖4）。ATLAS 探測(cè)器身為兩個(gè)通用型粒子探測(cè)器之一，負(fù)責(zé)粒子束對(duì)撞結(jié)果的測(cè)量任務(wù)。

圖4? ATLAS探測(cè)器工作原理

【對(duì)撞產(chǎn)生的粒子經(jīng)過內(nèi)層跟蹤器、熱量計(jì)和μ子譜儀時(shí)表現(xiàn)出不同性質(zhì)（虛線表示無法被相應(yīng)儀器探測(cè)到）。μ子可以被所有儀器探測(cè)到，最后飛出探測(cè)器；光子和電子停留在電磁熱量計(jì)，但光子無法被內(nèi)層跟蹤器探測(cè)到；質(zhì)子和中子停留在強(qiáng)子熱量計(jì)，但中子無法被內(nèi)層跟蹤器和電磁熱量計(jì)探測(cè)到；中微子無法被任何儀器探測(cè)到，徑直飛出探測(cè)器?！?/p>

標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子和作用力

如果你不介意陌生奇怪的名詞，你完全可以跳過“術(shù)語(yǔ)”部分。但如果不了解標(biāo)準(zhǔn)模型的一鱗半爪，恐怕有些段落會(huì)不知所云。

試問：“一尺之棰，日取其半，是否萬世不竭？”對(duì)于這個(gè)古老的問題，粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型給出了一種解答，而且它是目前已知的最佳解答。

讓我們?cè)賮硪粓?chǎng)想像之旅，這回往微觀世界。想像一下，隨手拿個(gè)物體，將它剝洋蔥般層層剝開。你將發(fā)現(xiàn)從宏觀到微觀，它呈現(xiàn)著奇妙的層次結(jié)構(gòu)，一直小到微米、納米尺度的小顆粒：纖維、細(xì)胞、線粒體，等等。繼續(xù)剝開這些小顆粒，最終你將得到分子。如果能量足夠大，還可以剝開分子，得到原子。原子由原子核和電子組成。原子核非常小，結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬致密，穩(wěn)坐正中央，而電子如云霧般環(huán)繞著原子核。

你需要非常高的能量，才能從原子核的電磁吸引力中奪走電子。如果擁有更高的能量，你甚至可以剝開原子核，得到質(zhì)子和中子。然而這仍非終點(diǎn)，如果你有能力繼續(xù)提高能量（求助于大型對(duì)撞機(jī)吧?。€可以剝開質(zhì)子和中子，得到夸克（quark）。迄今為止，人類還無法剝開夸克，也沒有發(fā)現(xiàn)夸克的任何內(nèi)部結(jié)構(gòu)。日取其半，已經(jīng)無物可取了。

在“粉碎原子”時(shí)，我們得到了原子核和電子。迄今為止，人類還無法剝開電子，也沒有發(fā)現(xiàn)電子的任何內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象（無法繼續(xù)剝開粒子）就是判斷粒子是否屬于“基本粒子”的標(biāo)準(zhǔn)。

無論從什么物體開始，無論它是什么材料，只要不斷提高能量，層層剝開，最終它都會(huì)“粉碎”成夸克和電子，無一例外。

如果堅(jiān)持閱讀下去，你會(huì)遇見為數(shù)眾多、名稱各異的粒子。但記住，萬變不離其宗，如果剝開它們，只會(huì)得到少數(shù)幾種基本粒子（圖5）。

圖5 ?標(biāo)準(zhǔn)模型的基本粒子

【三代12個(gè)費(fèi)米子（夸克和輕子，每個(gè)均有反粒子）以及四個(gè)規(guī)范玻色子。為了解釋質(zhì)量起源，引入希格斯玻色子。（棕色區(qū)域表示相應(yīng)規(guī)范玻色子可以與區(qū)域內(nèi)的費(fèi)米子耦合。）】

電子屬于輕子（lepton），輕子是一類基本粒子的總稱。μ 子（muon，讀作渺子）和τ 子（tau，讀作陶子）也屬于輕子，它們和電子相似，但質(zhì)量更大。除此之外，輕子還包括三種中微子。中微子特立獨(dú)行，幾乎不和任何物質(zhì)相互作用，但它們比比皆是，不可勝數(shù)。太陽(yáng)就是一個(gè)巨大的中微子源，每秒鐘約有一千萬億個(gè)來自太陽(yáng)的中微子從你的身體穿越而過！夸克組成了另一類基本粒子。正如輕子有六個(gè)成員，夸克也有六種，分別為上夸克（up）、下夸克（down）、奇異夸克（strange）、粲夸克（charm）、底夸克（bottom）和頂夸克（top），質(zhì)量依次遞增（但名字古怪程度中間最高）。上、下夸克組成了質(zhì)子和中子?？淇丝偸墙]在比它們更大的粒子中，人類從來沒有發(fā)現(xiàn)自由夸克。由夸克組成的更大粒子通常稱作強(qiáng)子（hadron，所以有大型“強(qiáng)子”對(duì)撞機(jī)，它主要用來對(duì)撞質(zhì)子，偶爾也會(huì)用來對(duì)撞含有質(zhì)子和中子的原子核）。

我已經(jīng)介紹完目前已知的所有物質(zhì)粒子。每一種粒子都有各自對(duì)應(yīng)的反粒子，并且它們通過作用力相互作用——吸引、排斥或者散射（圖6）。粒子之間的作用力不能憑空產(chǎn)生，需要由介質(zhì)傳遞，而另一類粒子，矢量玻色子（vector boson），扮演著介質(zhì)的角色。

圖6 ?大自然的四種基本互相作用及其性質(zhì)

電磁相互作用（電磁力）由光子（photon，光的量子）傳遞，作用于帶電粒子，即中微子以外的所有粒子。

強(qiáng)相互作用（強(qiáng)力）由膠子（gluon）傳遞，作用于夸克。

弱相互作用（弱力）由W和Z 玻色子傳遞，作用于所有粒子。

標(biāo)準(zhǔn)模型若要真正發(fā)揮作用，尤其是讓基本粒子獲得質(zhì)量，就必須引進(jìn)另一種全新的粒子——希格斯玻色子（Higgs boson）。

或許你已經(jīng)注意到，怎么一直不見提起我們最熟悉的引力？不幸的是，目前的標(biāo)準(zhǔn)模型中還沒有引力的一席之地。引力由愛因斯坦的廣義相對(duì)論描述，而迄今為止物理學(xué)家對(duì)廣義相對(duì)論的量子化仍然束手無策。

內(nèi)容選自《希格斯粒子是如何找到的?》。