追踪希格斯粒子

剑桥——50年前，粒子物理学家们面临着意想不到的挑战。他们最好的数学模型可以解释基本粒子结构及运动的某些自然规律，比方说电磁学和造成放射性衰变的弱核力现象。但只有当原子内部的粒子质量为零时模型才能适用。可如果组成蛋白质、人、行星的物质重量为零，那么这些物质的巨型集合怎么会是现在这样？

有些物理学家想出了一种巧妙的解决办法。他们提出存在一种尚未被发现的粒子，这种粒子最终以英国物理学家彼得·希格斯的名字命名。半个世纪以来，物理学家一直在苦苦寻找这种难以捉摸的“希格斯粒子”。而现在，欧洲粒子物理研究所设在日内瓦附近的粒子物理实验室的研究结果表明，这样的搜索可能很快会圆满结束。

乍看上去，希格斯粒子背后的想法似乎有些古怪。希格斯和他的同事们提出就像数学模型所要求的那样，单个基本粒子的质量的确为零，因此所有粒子通常都会以光速向四周运动。但假设我们周围的一切事物——宇宙中的每一个独立粒子都沉浸在由希格斯粒子组成的不可见的巨型大缸中。每当各种粒子从A点运动到B点，都会不断地与其他粒子相撞，从而导致速度下降。在我们观察时，这些粒子就像是假日期间在拥挤的商店里推推搡搡的购物者。而从它们缓慢的移动中，我们认为它们拥有质量。

尽管花50年时间搜索“假想粒子”令人情不自禁联想起唐吉柯德式的怪诞童话故事，但希格斯粒子却是粒子物理学“标准模型”理论的核心假设。迄今为止对模型的所有实验性测试均与理论预期相符。在某些试验中，预测值与实测值之间的契合度达到了惊人的小数点后12位，“标准模型”也因此成为人类历史上最准确的科学理论。该模型成功解释了自然界四大基本力量中的三种，只有重力仍然超出它的解释范围。

希格斯粒子在宇宙历史的早期也许曾经发挥过更大的作用。世界各地物理学家和我自己都在研究大爆炸后一微秒希格斯粒子可能产生的作用——这或许可以解释宇宙的形状和命运。

不过尽管如此，我们还没有直接证据证明希格斯粒子切实存在。标准模型认为希格斯粒子相撞后立即散开，因此它们也应该具有质量。最新研究表明希格斯粒子（如果这种粒子存在）应该是亚原子领域最大的物质，是我们所熟悉质子的120倍以上。

Subscribe to PS Digital

Subscribe to PS Digital

Access every new PS commentary, our entire On Point suite of subscriber-exclusive content – including Longer Reads, Insider Interviews, Big Picture/Big Question, and Say More – and the full PS archive.

Subscribe Now

在实验室中制造希格斯粒子需要将质子推升至光速并使其相互碰撞，欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机每秒能进行数万亿次这样的碰撞。高能碰撞产生出各式各样的碎片，物理学家借助大型探测仪小心地对碎片进行跟踪，并利用先进的计算机算法筛选这些碎片。

物理学家在追踪希格斯粒子的过程中有两大主要障碍。首先他们必须确定希格斯粒子产生及快速衰减所导致的碎片模式。鉴于我们对标准模型的深刻把握，原则上我们所搜寻的信号是很好理解的。同样不难理解的还有两颗携带巨大能量的质子碰撞后飞散出的其他垃圾所产生的背景噪音。物理学家们在碰撞产生的大量碎片里寻找几个希格斯粒子无异于大海捞针，他们必须仔细梳理无法从已知过程得到解释的碎片中的异常信号。

其次难度来源于数据统计。“标准模型”论基于量子理论规则，从根本上看是一种概率学说。数据中总无法避免偶然情况，就像任何一组抛掷硬币的动作都可能出人意料地连续出现7次正面朝上的结果。

要想确信硬币没有不为人知的功能，的确是普通硬币，你就必须记录足够数量的抛掷结果，并检验长期结果数据中正面和背面的出现是否等量。数千次抛掷后如果数据仍然显示正面居多，那么就有理由认为这枚硬币具有某些特殊性质。

质子碰撞也适用同样的鉴别方法。在物理学家宣布异常数据确实来自希格斯粒子之前，他们必须搜集足够的数据来排除偶然情况。

欧洲量子物理研究所有两个独立的物理学家小组最近宣布，虽然信号仍有两千分之一的可能来自平常的非希格斯进程，但他们的数据显示希格斯粒子已经被发现。这两个小组将继续一同进行质子碰撞，搜集更多数据，并将希格斯粒子筛选出来。

现在我们可能还没有发现希格斯粒子。但最新的消息已经确切地表明，长达50年的搜索物质基本粒子的过程可能即将获得圆满成功。下一次欧洲粒子物理研究所小组召开新闻发布会，就可能传出重量级的新闻。