【9成新】【良好】寻找希格斯粒子

序幕

乔安妮·休伊特感到有点晕眩。她在对着摄像机镜头兴高采烈地说话时，脸上总是洋溢着灿烂的笑容。此刻，出席旧金山瑞士领事馆聚会的人们正沉浸在一派喧闹声中。这个聚会是为庆祝大型强子对撞机（LHC）次在地下的机器隧道内成功实现质子循环而举办的。位于日内瓦郊外法国—瑞士边境的这台强子对撞机是一台巨大的粒子加速器，其目标是要揭开宇宙的秘密。香槟四溢，没人惊奇。乔安妮提高了嗓门强调到：“为了这一天我已经等了25年了。”

这是一个重要时刻。在2008年的这一时刻，粒子物理学家们终于实现了他们长期坚守的梦想——为了迈出下一大步，他们需要建造一台能够让质子以巨大能量相互对撞而粉碎的巨型粒子加速器。那会儿他们曾认为美国会建一个这样的装置。但事情并没有如预期的那样发生。1983年，休伊特刚开始读研究生，当时美国国会首次同意在得克萨斯州建造超导超级对撞机（SSC）。原计划这台机器将在2000年以前开始运行，它将是当时世界上建造的的对撞机。她，像她那个时代的大多数充满朝气雄心勃勃的物理学家一样，相信在这台装置上的发现能够奠定他们的研究生涯的基础。

但是，SSC被取消了，物理学家们指望改变未来几十年研究领域面貌的平台被人拆了。政治、官僚主义和内斗处处挡道。现在的LHC，在很多方面都与SSC非常相似，经过长时间的等待后终于要进行次运行了。休伊特和她的同事们早已经准备就绪。“在过去的25年里，我所做的事情就是对提出的每一种新的疯狂的理论进行分析，计算它们在SSC或LHC上的印迹（即我们如何认定新的粒子），”她说。

让休伊特感到晕眩的还有另一个更为私密的原因。在视频中，她的一头红发剪得很短，几乎是平头。这不是时尚的选择。在那年的早些时候，她被诊断出罹患恶性乳腺癌，治愈的机会大约只有五分之一。她选择了一种非常积极的治疗方案：痛苦的化疗加简直是无穷无尽的手术。她那标志性的、以前一直垂到腰际的红色秀发很快消失了。很多时候，她对困境付之一笑，安之若素，始终保持着高昂的精神状态积极思考在LHC上能发现什么新粒子。

作为朋友和同事，我和乔安妮彼此已相识多年。我自己的专长主要在宇宙学，对宇宙做整体研究，这一领域近年来可谓处于新数据和惊人发现勃发的黄金年代。粒子物理学，这个已经变得与宇宙学密不可分的知识领域，正渴望着新的实验结果，以便能颠覆现有的理论状态，引领我们进入到一种新的设想。这种压力已经持续了很长时间。聚会上的另一位物理学家，华盛顿大学的戈登·沃茨，被问到长时间期盼着LHC是不是一直很紧张。“那是肯定的。你看我这里的头发都灰白了。我妻子说那是因为我们孩子的缘故，但实际上确实是因为LHC。”

粒子物理学家站在了一个新的时代的边缘，在这个新时代里，有些理论将被淘汰，而另一些理论则变得值得投钱。聚会中的每一位物理学家都有他们自己钟爱的模型——希格斯玻色子、超对称、彩色、额外维、暗物质，以及一大堆奇思怪想的概念和梦幻般的推想。

“我希望LHC发现的‘不是上面的任何一种’，”休伊特热情地说道。“我确实认为它会带来惊喜，因为我认为大自然要比我们聪明，她为我们准备了惊喜，我们得好好花时间来搞清楚这一切，那将是巨大的进步！”

那是在2008年。回到2012年，旧金山的那场为庆祝LHC落成的聚会已经结束，做出新发现的新纪元已正式开始。休伊特的头发长起来了。治疗虽然痛苦，但似乎很管用。她的整个职业生涯中一直期待着的实验正在创造历史。经过二十五年的理论打磨，她的想法终于等到了用真实数据——一些迄今为止我们从来不曾见过的粒子和相互作用——进行检验的时刻，那是大自然一直藏着不肯轻易示人的惊喜。

镜头拉回到2012年7月4日——国际高能物理会议开幕的当日。这是一个每两年一届的会议，在不同年份由世界上各个不同的城市轮流举办，这一年轮到了澳大利亚的墨尔本。包括休伊特在内的好几百位粒子物理学家正济济一堂，在主会场聆听一场特殊的研讨会。建造LHC的所有投资，机器运行期间的所有期待，就要在此时得到回报了。

研讨会在日内瓦欧洲核子研究中心（CERN）的LHC实验室和墨尔本同时举行。有两场报告会，作为大会议程的一部分通常应在墨尔本主会场举行。但在后时刻，大会决定，宣布新发现的那一刻应当与为实现LHC成功的很多贡献者共同分享。这一决定得到称赞——CERN的数百位物理学家在预定于日内瓦时间上午9点开始的会议之前已经等候几个小时，他们露营排队，在睡袋里熬了一夜，就是为了能占个好座位。

CERN的总干事罗尔夫•霍伊尔（Rolf Heuer）介绍了会议议程。在两个主要实验中从事LHC数据收集和分析的两个实验组各做一个报告。个报告由美国物理学家乔•印坎德拉（Joe Incandela）代表CMS联合实验组来做，第二个报告由意大利物理学家法比奥拉•詹诺蒂（Fabiola Gianotti）代表ATLAS联合实验组给出。两个实验有超过3000名物理学家参与，其中大部分人的工作是在散布世界各地的实验室的电脑上进行的。整个实验过程通过网络直播，不仅传往墨尔本，而且传向全世界——任何一个关心这一实验的人都可以实时听到结果。这种传播方式正适合进行这次现代大科学的庆祝活动——高科技国际合作与大赌注结合产生出令人振奋的回报。

詹诺蒂和印坎德拉在做报告时明显显得神情紧张，但结果的展示已说明一切。两人对使实验成功的各位工程师和科学家表示衷心的感谢。然后，他们不约而同地将报告重点转向说明为什么我们应该相信他们目前的结果。他们解释了各自的机器是如何工作的，数据的分析为什么是准确和可靠的。在这一切精心的铺垫完成之后，他们告诉我们他们已经找到了要找的东西。

事实摆在那儿。几张图，在未经物理学训练的人看来似乎并没有太多区别，但它们都具有一致的特征：出现了比特定能量下所预期的事件数更多的事件（从一次碰撞中得到的粒子流的集合）。所有在场的物理学家立刻就知道这意味着什么：一个新粒子。LHC瞥见了大自然以前从未显露过的一部分。印坎德拉和詹诺蒂经过细致的统计分析，将真正的发现从纷繁的统计涨落中挑选出来，两种实验情形下的结果毫不含糊地表明：结果是真实的。

掌声。在日内瓦、墨尔本和世界的其他地方。数据是如此精确和清晰，甚至连许多从事实验多年的行家们都对此感到吃惊。威尔士物理学家林恩·埃文斯（Lyn Evans），作为负责指导LHC走过崎岖不平道路直至完成的人，在看到两个实验如此一致的结果时就承认自己“大吃一惊”。

我自己那天就在欧洲核子研究中心，扮成一名记者待在主大厅隔壁的记者室。记者通常不对他们报道的新闻事件报以掌声，但此时此刻，济济一堂的记者们让情感压倒性地爆发了出来。这不只是CERN或物理学的成功，这是整个人类的成功。

我们认为我们知道我们所发现的东西：一种称为“希格斯玻色子”的基本粒子（以先提出存在这种性质的粒子的苏格兰物理学家彼得·希格斯的名字命名）。83岁的希格斯本人正坐在研讨会房间里，脸上写满了感动：“我从来没有想过今生我会看到这种情况发生。”早在1964年就提出过同样想法的其他几位资深物理学家也出席了会议。一种理论被命名的约定并不总是公平的，但在此刻，每个人都可以参与到庆祝活动中来。

那么什么是希格斯玻色子呢？它是自然界的一种新粒子。它的数量不是很多，但却是非常特殊的一种。在现代粒子物理学里，已知的粒子有3种。有构成物质的粒子，像电子和夸克，它们构成原子，原子又构成我们所看到的一切；有传递力的粒子，它们传递引力、电磁力和核力，并使物质粒子结合在一起；再有就是希格斯子，它单独构成一类。

希格斯子很重要，不只是因为它是什么，而且是因为它做什么。希格斯子由弥漫于空间的场产生，这种场称为希格斯场。宇宙中已知的一切东西在穿越空间时就会在希格斯场中运动。希格斯场是永远存在的，只不过是潜伏在本底中，我们看不见它。可以这么说：如果没有希格斯子，电子和夸克就没有质量，变得像光子（传播光的粒子）。它们本身将以光速运动，这样就不可能形成原子和分子，更谈不上形成我们知道的各种生命形态。在普通物质的形成机制中，希格斯场不是一种主动的角色，但它在本底中的存在至关重要。如果没有它，世界将完全是另一副样子。现在，我们找到它了。

这里用词需十分谨慎。我们实际上掌握的是非常类似于希格斯子的粒子的证据。它有正确的质量，它基本上按我们预期的方式产生和衰变。但要说我们发现的肯定就是原始模型所预言的希格斯子还为时过早。这里面可能还有更复杂的东西，或者发现的只是精妙的相关粒子谱中的一个部分。但我们的确已经发现了某种新粒子，它的表现就像我们认定的希格斯玻色子。因此在本书中，我将2012年7月4日当作宣布发现希格斯玻色子的日子。如果大自然更微妙，那对我们每一个人来说就更好——物理学家就喜欢活在惊喜中。

人们非常希望希格斯子的发现标志着粒子物理学的新时代的开始。我们知道，物理学的内容要比我们目前所了解的更丰富。对希格斯子的研究提供了一个观察未知世界的新的窗口。现在，像詹诺蒂和印坎德拉这样的实验物理学家有了新的标本可研究，而像休伊特这样的理论物理学家则有了新的线索，可以建立起更好的模型。我们对宇宙的理解则迈出了期待已久的一大步。

这是一个关于一群将毕生奉献给发现大自然终本性的人的故事。希格斯本人就是一个完美的体现。这里有用笔和纸工作的理论家，他们喝着浓咖啡，和同事激烈地争论，由此推动着在头脑中形成抽象的概念；有工程师，他们想方设法让机器和电子器件突破现有技术限制；关键的当然是实验者，他们将机器和理论家的想法结合起来去发现大自然的一些新的东西。现代物理学的前沿研究涉及到耗资数十亿美元的项目，需要几十年才能完成，因此需要研究者具有非凡的奉献精神，并愿意冒着高风险去寻找独特的回报。当这一切都得以实现之时，世界就变样了。

生活真美好。请再来一杯香槟。

希格斯玻色子被视为自原子结构揭示以来我们对宇宙认识的*突破。它是理解“为什么存在质量”和“原子如何是可能的”等问题的关键。在人类投入了90亿美元，付出几十年的努力建的大型强子对撞机成功运行后，经过6000多研究人员的辛勤工作，难以捉摸的希格斯玻色子终于被发现了。2013年诺贝尔物理学奖授予发现希格斯子的三位物理学家。

《寻找希格斯粒子》不仅解释了希格斯玻色子的重要性，而且详细介绍了大型强子对撞机这一有史以来建造的*机器。加州理工学院理论物理学家卡罗尔对这一项目的缘起和进展都做了绘声绘色的描述。这是一个讲述有关人类如何在渴望理解宇宙的推动下做出我们这个时代*伟大的科学成就的故事。

肖恩·卡罗尔博士是加州理工学院的理论物理学家，著有《从永恒到此刻》——一本探索时间的终极理论的书。他从哈佛大学获得博士学位后，一直在研究粒子物理、宇宙学和引力。他是著名物理学博客群“宇宙方差”的创始人之一。肖恩·卡罗尔与妻子作家詹妮弗•维莱泰住在洛杉矶。

“科学既具有权威性也不乏大胆活泼。人类的舞台充满了丰富的叙事。卡罗尔的传奇故事将引领你踏上*的发现之旅。”

——弗兰克·维尔切克，诺贝尔物理学奖获得者，《存在之轻》一书的作者。

“肖恩·卡罗尔在本书揭开了自然界*神秘也是*重要的粒子的面纱，让我们清楚地看到寻找希格斯子的实验是如何进行的。任何对物理有兴趣的人都应该读读这本书，跟随他一道领略这一发现带来的物理学新世界。”

——列纳德·蒙洛迪诺，《醉汉的脚步》的作者

“卡罗尔讲述了一个粒子的故事。这种粒子我们每个人都听说过，但实际上对它很少了解。当你读过这本书，你就会真正了解为何希格斯玻色子会被这么多人追捧得这么久。卡罗尔崇尚大科学，爱问大问题，他的信念富于感染力，鼓舞人心。”

——摩根·弗里曼，影片《穿越虫洞》的主演和执行制片人

序幕

1 物质为什么很重要

2 堪称神圣

3 原子与粒子

4加速器的故事

5 大的机器

6 智破粒子

7 波动的粒子

8 穿越破镜

9 实验室沸腾了

10 “希格斯子”不胫而走

11 诺贝尔的梦想

12 地平线之外

13 粒子物理学的未来

附录1 质量与自旋

附录2 标准模型粒子

附录3 粒子及其相互作用

进一步阅读材料

参考文献

致谢

名词索引

译后记

自然界zui神秘也zui重要的粒子被发现，这是一个多么激动人心的时刻！这个粒子究竟是什么？它为何让那么多科学家为之“神魂颠倒”？人类建造了史上zui大物理学实验装置，花费几十年的时间，投入90亿美元，只是为了一睹它的芳容。这其中颠荡起伏的故事，由加州理工学院理论物理学家卡罗尔为你一一道来。

《寻找希格斯粒子》是《*推动丛书》物理系列其中之一，这是一个讲述有关人类如何在渴望理解宇宙的推动下做出我们这个时代zui伟大的科学成就的故事。

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