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探索质量起源之谜：希格斯粒子发现历程和未来希格斯工厂（上）

科技 06-30 来源：中科院高能所

以下文章来源于微信公众号：现代物理知识杂志，作者陈缮真杨海军

陈缮真1 杨海军2，3

1. 中国科学院高能物理研究所；2. 上海交通大学物理与天文学院；3. 上海交通大学李政道研究所

前言

2012 年7 月4 日，在欧洲核子研究中心的主报告厅里举行了一场特别的全球新闻发布会，在大型强子对撞机LHC上运行的两个大型实验ATLAS和CMS，同时宣布发现了希格斯粒子，揭开了基本粒子质量起源之谜。半个世纪以前预言了希格斯粒子的彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒也被邀请到现场。彼得·希格斯，这位时年83 岁的老人喜极而泣，他说：“这一切竟然发生在我的有生之年，真是令人难以置信。”全球数千家媒体和电台进行了广泛的报道，美国《科学》杂志将希格斯粒子的发现评为2012 年度最重大的科学发现。

这是一个期待了近半个世纪的实验结果，六位理论物理学家在1964 年发表的研究成果终于被实验所证实了，弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯因此荣获了2013年度的诺贝尔物理学奖。

为什么这个发现如此的令人激动？因为，在物理学最微观和基本的分支——粒子物理学半个多世纪的发展过程中，科学家逐渐建立了一整套理论框架，这个框架被称为粒子物理学的标准模型。而这个框架下最基本的粒子几乎都被发现了，希格斯粒子被认为是最后一个最基本的粒子，所以也被人称作是“标准模型的最后一块拼图”，参见图1。

图1 粒子物理标准模型的基本粒子

希格斯粒子的发现揭示了基本粒子质量的起源，填补了标准模型最后也是最重要的基石，从某种意义上完备了标准模型理论，成为粒子物理学研究的一个重要里程碑。粒子物理标准模型的发展和完善，凝聚了几代人近一个世纪的心血。

泡利的疑惑：粒子的质量在哪里

如果我问你，这个世界上有多少种“力”？你可能会列举“重力、摩擦力、磁力、压力、浮力……好多好多！”但是如果要问一个现代的粒子物理学家，世界上有多少种“力”，你得到的答案一定是四种，强核力(强相互作用)，弱核力(弱相互作用)，电磁力和万有引力。那么普通人眼中的力的种类为什么和物理学家眼中的不一样呢？那是因为，除了重力来源于万有引力之外，几乎所有在生活中能感受得到的力本质上都来自于电磁相互作用力。你可能会有疑问，那些不带电的物体产生的力为什么本质上也是来自电磁力呢？其实，像是摩擦力、压力等看似没有电和磁参与的力，从微观层面来看，都是分子之间的相互作用，而分子之间是通过它们本身的电磁场互相影响彼此的，所以，这些宏观上不带电和磁的力，从本源上来讲其实还是电磁相互作用力。那么，为什么我们看到的世界感受不到引力和电磁力之外的那两种力呢？强核力，弱核力，它们究竟是什么？其实，就像它们的名字所暗示的那样，强核力和弱核力的作用范围都特别短，都只能在原子核内部才能发挥作用，也都是实验物理学家们通过对放射性衰变的分析才被发现的。强核力就像是橡皮筋一样，拉住了因为带着同样的电荷而互相排斥的原子核内的粒子，而弱核力则是启动放射性衰变，以及恒星中氢聚变过程的一种力。

人类最熟悉的基本作用力是万有引力，这也是在宇宙尺度上维系星体运动的最直观的作用力。而由于上百年来电磁学以及电动力学理论的发展，特别是19 世纪中叶英国物理学家麦克斯韦总结了一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程——麦克斯韦方程组之后，人类已经对于宏观的电磁力以及它的传播子光子有了深刻的了解。然而，不同于这类能够轻易观测到宏观效应的引力和电磁力这两种长程作用力，人类对于另外两种基本短程的作用力的认知过程则艰难得多。因为对另外两种力的研究一开始都只能在放射性衰变这样的看不见摸不着反应中才能进行。在19 世纪末放射性元素被发现之后，欧内斯特·卢瑟福和约瑟夫·汤姆孙通过在磁场中研究铀的放射线偏转，发现铀的放射线有带正电的，带负电的和不带电的三种。他们把这三种射线分别被称为α射线，β射线(也就是电子)和γ射线，相应的发出α射线和β射线的衰变过程也就被命名为α衰变和β衰变。

1930 年的物理学界，人们在讨论一个严肃的问题，β衰变中能量、动量以及自旋角动量到底守不守恒，因为在那时实验上观测到的β衰变的电子能量谱线总是呈现出一种弥散的状态，而不是两体作用给出的单一能量值。这个问题如此深刻地触及到了基本守恒律，几乎动摇了上百年来的物理学基石。但是在那个年代，相对论、量子理论的发展已经将物理学家的世界观打碎了一次又一次了，人们已经开始在谨慎的考虑守恒律也被打破的可能性了。但是时年仅三十岁的奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利是守恒律的坚定信徒，他为了解释这个问题，提出了一个假设：他认为，在β衰变的过程中，除了实验中观测到的带电粒子射线之外，还有一束不带电的粒子射线。这类粒子如此之小又如此之孤僻，以至于当时的各种探测器都无法观测到它，这种粒子就是中微子(泡利最初将其称之为“中子”，但是在两年之后詹姆斯·查德维克发现了真正的中子之后，恩里科·费米和泡利重新将其命名为“中微子”)。这也是历史上第一次有弱核力参与的衰变过程的表达式被完整地写出。几年之后的1935 年，为了解释原子核内的质子和中子是如何被束缚在一起的，日本科学家汤川秀树提出了强核力的理论。

在那之后的二十年，物理学界对强核力、弱核力进行了更加深入的研究。时间到了1953 年，科学家们想要仿照麦克斯韦方程组，写出描述核子、介子以及它们的相互作用的方程。此时，长期研究规范场的泡利首先取得了一些突破，他通过纯粹的数学工具严谨地推导出了一条能够统一描述电磁力场和核力场的非阿贝尔规范场方程。此时的泡利已经53 岁，知名于“泡利不相容原理”等理论、年少成名的他此刻已是载誉满身的大科学家，被学界称为“物理学的良心”和“上帝的鞭子”。虽然他写出的非阿贝尔规范场方程在数学上很美，但是他意识到这条方程在物理上还存在着致命的缺陷，那就是方程存在发散项，这意味着这条方程预示着规范场必须存在质量为零的传递相互作用的规范粒子来维系方程的关系。然而，质量为零的规范粒子就意味着它传递的相互作用力应该是长程力，应该在无限长的距离外都能接收到它的力的作用，这和现实中发现的核力均为短程相矛盾。因此，泡利认为他的理论“导致了一些相当不实际的阴影粒子”，所以治学严谨的他只是在几场报告会上谈论了这个理论，但是选择了不发表这项成果。

1954年，杨振宁与合作者罗伯特·米尔斯也写下了一条类似的方程，他们希望这条方程能够描述强核力。不同于谨小慎微的泡利，他们选择将研究结果快速地发表了出来(称作杨-米尔斯方程)，并且开始了学术圈内的宣传。杨振宁在普林斯顿做了一场关于这条方程学术报告，而这场报告的会场里大师云集，俨然是一场华山论剑。其中，这里面就坐着前一年写出过同样概念方程的泡利。当杨振宁在黑板上写下了新发现之后，却被坐在台下的泡利打断道：“方程描述的这个场的质量是什么？”泡利的问题简单却深刻，却像是内力浑厚的一阳指直戳了这条理论的软肋：它无法描述现实中有质量的粒子，而这一点泡利自己再清楚不过了。泡利本希望能见证一场精彩的见招拆招，但是杨振宁只尴尬地回答道：“我不知道……”。质量！质量到底到哪里去了？这是泡利最关心的问题。没有解决粒子质量的来源问题，一切美好的方程都是纸上谈兵。不出意外，在那之后相当长的时间内，这条非阿贝尔规范场方程都没有发挥出真正的作用，但当时大家可能都没有料想到，多年以后，这条本有缺陷的方程所描述的规范对称性竟成为了粒子物理标准模型的基石之一。

基本粒子的“元素周期表”

不同于泡利等人痴迷于研究物质间的相互作用，有另一批科学家此刻正沉迷于研究物质本身的组成。我们知道，这个世界上所有的宏观物体都是由无数的微小的叫做原子的粒子组成的。而原子则是由一个位于其中心极小的空间上的原子核和若干个在核外空旷的空间内绕核运动的电子组成。原子核内包含若干个紧密结合在一起的质子和中子，这些原子核内质子和中子不同的数目就决定了不同的原子有不同的物理性质。我们所熟悉的氧、碳、氢等不同的原子就是靠它们原子核内质子的数量不同而表现出了不同的性质。但是质子和中子就是组成物质的最小结构了吗？科学家们对此的认知逐渐随实验进展而产生了变化。在20世纪50 年代，研究微观粒子实验的物理学家们发现，有少量的一些粒子表现非常奇怪，寿命比其他粒子长得多。为了解释这些粒子的奇怪现象，在20世纪60 年代初，以莫里·盖尔曼为代表的粒子物理学家提出了夸克模型的概念，认为绝大多数粒子都只含有上夸克和下夸克，而这些表现奇异的粒子的结构中则含有另一种与下夸克电荷一致的成分——“奇异夸克”。虽然这样一个包含三种夸克的夸克模型成功地描述了20 世纪60 年代所发现的几乎所有除了轻子以外的粒子的物理性质，然而这种带有分数电荷的假设无论如何在那个年代来看都有些许的疯狂。

在同一个时代，著名的物理学家理查德·费曼为了理解基本粒子的行为和分类提出了另外一种模型，叫做“部分子模型”。夸克模型与部分子模型都可以解释一些粒子分类上的问题，所以直到在这之后的20 世纪60 年代末，粒子物理学界都还没有完全接纳夸克模型，连夸克模型的提出者盖尔曼都一直保持着谨慎小心的态度，表示夸克模型只是一个数学模型，并试图模糊化处理夸克是否真实存在的话题。甚至在斯坦福直线加速器中心(SLAC)在1968 年发现质子内确实存在更深层次的次级结构时，科学家们仍然更愿意相信被发现的次级结构是部分子而非夸克。

那么事情是如何出现转机的呢？夸克模型究竟是如何成为了粒子物理学家们的共识的呢？在盖尔曼提出夸克模型后不久，谢尔顿·格拉肖和詹姆斯·比约肯在盖尔曼的包含三种夸克的模型之上提出了第四种夸克存在的假设，格拉肖和比约肯把这个他们构想中的第四种夸克命名为“charm”。charm 这个词有“魔力，魅力，吸引力”的意思，格拉肖认为charm 夸克的魅力可以让夸克模型更加的完善。

我国著名的物理学家王竹溪先生把这类夸克翻译为“粲夸克”，“粲”这个字的意思有“美，鲜明”的意思，既和英文charm 的发音相似，又表达了类似于英文原词的含义。格拉肖和比约肯似乎是对于数学上对称美的极致追求者，他们认为在盖尔曼等人的模型中既然有一个与下夸克类似的奇异夸克，那么就应该会有另一个和上夸克类似的夸克，不但如此，新的夸克的加入还能使得自然界最基本的相互作用之一的弱相互作用得到更好的描述。然而，他们的猜测在当时并未受到重视。真正使得粲夸克的假设被更多的人重视起来的是1971 年由格拉肖、约翰·李尔普罗斯和卢奇亚诺·梅安尼一起撰写的一篇论文，提出了所谓的GIM机制。格拉肖对于粲夸克理论非常有信心，他甚至在一场于1974 年举办的国际会议里立下赌注，如果在两年内找不到粲夸克，他就会把他的帽子吃掉！

事情果然没有让格拉肖失望。就在他立下吃帽子赌局之后不久，几个实验团队就发现了一些有趣的新结果。1974 年9 月，位于美国布鲁克海文国家实验室的丁肇中实验团队利用将高能量质子朝着铍标靶射击，并从碰撞产物中，寻找正负电子对的方法，发现了一个奇特的信号：他们发现，总能量为31 亿电子伏特的正负电子对出现频率非常多，这意味着一种带有31 亿电子伏特的质量的新粒子被大规模地产生了出来。在粒子物理学家看来，质量与能量是等价的，而31 亿电子伏特的能量相当于一个电子在31 亿伏特的电压下所获得的能量。丁肇中的学术声誉非常好，做实验非常小心谨慎，他不愿意冒进发表任何可能有错误结果。由于在粒子物理实验中，经常会有因仪器原因导致的干扰信号，在尚不能确定这实验结果不是某种错误电子信号之前，丁肇中团队都在秘密地分析核对他们的实验数据。与此同时，在美国斯坦福直线加速器中心，伯顿·里克特的实验团队设计与建成了一种新型对撞机——斯坦福正负电子非对称环(SPEAR)，在这台对撞机里，电子与正电子以相反方向转动与碰撞。1974年11月10日，他们在31.05亿电子伏特的能量上也找到很多粒子被产生出来的事件，同样，这意味着一种新粒子存在的迹象，他们将这个新粒子命名为“ψ介子”。里克特迫不及待的想要将这项成果公诸于世，于是他们决定，在第二天发布这个消息。

无巧不成书，11 月10 日，就在里克特的实验团队发现他们新结果的当天，本来远在美国东海岸的丁肇中恰巧到了美国西海岸的斯坦福直线加速器中心开会。在这里，丁肇中得知里克特实验团队发现新粒子的消息后，发现里克特团队发现的新粒子与自己团队发现的新粒子的质量如此接近，他不得不怀疑两个团队是不是发现了同一种粒子。于是丁肇中决定不再犹豫，立刻也要将自己团队的发现公诸于世，并且将他们发现的粒子命名为“J 介子”。11 月11 日早上8 点钟，丁肇中与里克特在SLAC实验室主任办公室会面。双方对对方团队的新发现都表示了祝贺。经过一番沟通后，他们才确定了他们发现的新粒子果然是同样一种粒子。于是，他们立刻将他们的实验结果分别公之于众，并写成两份报告，同时发表在了《物理评论快报》的12月份期刊。因为两个团队分别独立发现并命名了新粒子，为了使得两人的贡献都得到认可，学界将这个粒子命名为J/ψ粒子，这也是基本粒子家族中唯一一个由两个字母名字组成的粒子名字。J/ψ粒子的性质不同于以往发现的任何粒子，以至于只有格拉肖和比约肯在夸克模型下预言的粲夸克才能合理地解释J/ψ粒子的存在。事实上，J/ψ粒子是由一个粲夸克与一个反粲夸克共同组成的。J/ψ粒子的发现在粒子物理学界里引起一场革命(后来被称为“十一月革命”)，因为它意味着夸克模型理论并不是纸上空谈，由于粲夸克的发现，强子被证实是由夸克组成的。然而这并不是夸克发现故事的结束。在丁肇中与里克特忙于加速器和对撞机实验的时候，另一批科学家在另外的领域的研究表明，夸克的数量可能比格拉肖和比约肯相信的还要多。早在1956 年，为了解释两种质量和寿命相同，看起来像是同一种的粒子的θ+粒子和τ+粒子(后来被证实其实就是同一种粒子，现在叫做K+介子)，却有着不同的宇称量子数和不同的衰变产物，李政道和杨振宁提出，在弱相互作用中，微观粒子的行为可能宇称量子数并不守恒。宇称的守恒对应的对称性是“左”和“右”的对称，也就是说，李政道和杨振宁推测在微观世界中，“左”和“右”的物理规律并不完全相等同。

这个推测在当时的年代颇具震撼力，打破了被千百年来人类视为金科玉律的观念。第二年，吴健雄等科学家在对钴60(60Co)衰变的观测中证实了这项推测，她利用两套装置中互为镜像的钴60 设计了一个实验，一套装置中的钴60 原子核自旋方向转向左旋，另一套装置中的钴60 原子核自旋方向转向右旋，结果发现在极低温的情况下两套装置中放射出来的电子数有很大差异，进而证实了李政道和杨振宁的假说。同年，李政道和杨振宁因为这一项划时代的假说，获得了1957年的诺贝尔物理学奖。

在弱相互作用下的宇称的对称性破缺被发现后不久，物理学家发现在弱相互作用下，电荷共轭的对称性也是破缺的。此时，列夫·朗道以及李政道和杨振宁认为，电荷－宇称(C-P)两个量子数的联合，应该保持着良好的对称性。电荷－宇称对称性的守恒可以使得粒子和反粒子遵循着相同的物理规律。

而在1964 年，科学家们在含有奇异夸克的介子衰变中，发现了另一个更加“奇异”更加难以让人接受的事实：电荷－宇称联合的对称性似乎也不守恒。在电中性K 介子的衰变中，詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇发现，本应衰变成三个π介子的长寿命K介子，却有一些衰变成了两个π介子。这种衰变模式是电荷－宇称对称性的守恒所不允许的。克罗宁和菲奇的研究结果再一次给理论界带来了巨大的冲击，也为他们带来了1980年的诺贝尔物理学奖。

为了解释电荷－宇称对称性的破缺，1973 年，在意大利物理学家尼古拉·卡比博的研究的基础上，日本科学家小林诚和益川敏英建立了卡比博－小林－益川矩阵(CKM)，给出了电荷－宇称对称性的破缺存在的必要条件，并在当时只发现了三个夸克的情况下预言了六个夸克的存在。之后，底夸克与顶夸克分别于1977 年和1995年在美国费米实验室的粒子加速器中被发现。至此，夸克的六种“味道”全部在实验中发现，夸克模型被完整呈现和证实。夸克模型也成为了标准模型的基石之一。

希格斯机制：基本粒子质量的起源

对称性在物理学中有至关重要的地位，它的存在很大程度上决定了相互作用的形式。电弱相互作用统一理论的内在对称性要求传递粒子之间相互作用力的传播子不具有质量。电磁相互作用力的传播子——光子满足这一要求，但弱相互作用力的传播子——W±和Z0玻色子都具有较重的质量，这破坏了电弱相互作用的对称性，也导致了理论计算困难。实验上核力传播距离有限的事实又表明，这些传播子确实是有质量的。许多年来，这种矛盾一直困惑着粒子物理学界。直到1964 年，有三篇文章分别提出了电弱对称性自发破缺机制，即“希格斯机制”，参见图2。1964 年8 月，弗朗索瓦·恩格勒和罗伯特·布绕特首先发表了一篇关于这种机制的文章；紧接着，彼得·希格斯在10 月份；杰拉德·古拉尼、卡尔·哈庚和汤姆·基博尔在11 月份也分别独立发表了类似的机制，因此，这种机制也最早被人称作“布绕特－恩格勒－希格斯－古拉尼－哈庚－基博尔机制(BEHGHK)”。然而由于历史上的机缘巧合，希格斯成为了这些天才大脑中最幸运的人，如今这种机制常被称作希格斯机制。

图2 描述对称性自发破缺的概念图

在希格斯机制中，通过电弱对称性自发破缺后产生的Nambu-Goldstone 玻色子，让原本只有两个横向极化自由度的无质量W和Z 玻色子获得了额外的纵向自由度，从而使得W和Z 玻色子获得质量。其他基本粒子通过与希格斯场的相互作用获得质量，而希格斯场的激发态对应的就是希格斯玻色子。

希格斯机制解决了质量起源问题，但同时也带来了新的问题，那就是，有希格斯场的存在，那就应该有希格斯粒子的存在。关于希格斯粒子，历史上还曾有过另一个精彩的描述。在1993 年，为弄清在欧洲核子研究中心大家都在尽力寻找的希格斯粒子到底是什么东西，英国的科学大臣威廉·瓦德格雷夫曾发起过一项挑战，就是给他讲清楚希格斯机制是怎么回事，而奖品是一瓶上好的香槟。瓦德格雷夫本人并没有粒子物理学基础，高深的公式他并不懂，因此，想要赢得挑战就必须要讲好一个形象的故事。最终，伦敦大学学院的粒子物理学家大卫·米勒想出来一个描述并最终赢得了这瓶香槟。米勒描述了这样一种情况：假如在一个鸡尾酒会上，大家都在自由地交谈。此时的所有人就是分布在空间的希格斯场。这时一个无名小辈走入了酒会，那么没有人会注意得到他，他可以自由地在酒会上穿梭，并且可以随意地改变行动方向。这时，这位无名小辈在酒会上的运动就像是一个无质量的粒子。但是假如此时一位名人(比如爱因斯坦)走入了房间，那么酒会上的人就会迅速地注意到这位名人，并围上来。这时的爱因斯坦就只能缓慢地移动，并且难以改变方向。这时这位名人的运动状态，就像一个有质量的粒子，参见图3。

图3 利用卡通场景描述粒子如何获得质量

但是，假如这时候没有人进入房间，只是门口有个人悄悄地讲了一个传闻，听到这个传闻的人都会非常主动地把这个传闻讲给屋里其他的人听，这时屋里就会聚集起一小团听传闻的人群。当一个人讲完这条传闻之后，听到传闻的人总有一个会把这条传闻继续传播下去。这样，虽然每个人听完传闻之后就回到了自由交谈的状态，但是这条传闻会随着一小团变动的人群继续移动下去。就像是聚集的人群能给爱因斯坦赋予质量一样，这小团聚集的人群也给自身赋予了质量。这时，这小团聚集的人群就是一个希格斯粒子，参见图4。