2013諾貝爾獎 物理學前瞻：希格斯粒子真被發現了嗎？

即將公布的2013年諾貝爾物理學獎，彼得·希格斯（如圖）成為各家預測的大熱門。但是，去年被大型強子對撞機發現的，果真就是希格斯粒子嗎？圖片來源：news.com.au

如果把物質分割得越來越小，會發生什麼？

最終，你會得到構成物質的分子或者原子。但這些東西還能進一步分解成電子和原子核。而原子核又可以繼續被分割成構成它們的質子和中子。它們的內部則是夸克。

到了這一步，你就已經抵達了標準模型（我們當前的粒子物理學理論）之中，我們視為是基本的那一層面。不管你一開始分割的是什麼物質，到了這個地步，你都會得到一大堆夸克和一大堆電子之類的粒子。

夸克事實上還可以分成6種：構成質子和中子的是較輕的上夸克和下夸克，另外還有較重的奇夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克。電子則屬於另外6種粒子構成的另一個家族，即輕子：包括電子的兩種質量更重的「表親」——μ子和τ子，以及與它們一一對應的3種幾乎沒有質量的中微子。所有這12種物質粒子，被統稱為「費米子」，都各自擁有一種與它們完全相同、只是電荷相反的反物質粒子。就是這樣了。物質不可能再分割到比這些基本粒子更小了。

如此簡潔的基本粒子組合，與實驗事實完美吻合，但其中隱藏著一個令人費解的難題。所有這些物質粒子都有一個屬性，被稱為「質量」——這是一種抗拒被移來移去的屬性。不同粒子的質量各不相同，從質量最輕的電子中微子到質量最重的頂夸克，跨越超過11個數量級之多。這些質量來自何方，為什麼又如此千差萬別呢？

破缺的對稱

在標準模型之中，構成物質的費米子通過作用力發生相互作用，而作用力是由另一大類被稱為「玻色子」的粒子傳遞的。以電磁力為例，是它使得原子能夠形成，驅動電流在我們的電器中奔騰，而傳遞電磁力的玻色子則是光子。光子與物質的相互作用取決於電荷的多寡：電子（攜帶1個負電荷）感受到的電磁力，就要強於夸克（攜帶-?或者+?個電荷）。不帶電荷的中微子，根本感受不到電磁力。

夸克還擁有各自的「色荷」，被稱為膠子的粒子依據色荷產生強核力。這種力要比電磁力強得多，但奇怪的是，膠子本身也攜帶色荷，因而會彼此粘黏在一起。於是，我們從未見到過夸克和膠子以遊離態的形式自由自在地漫遊，只能在質子和中子之類的粒子內部才能看到它們——強核力的作用範圍也不會超出亞原子尺度的範疇。

至於標準模型中的第三種作用力，弱核力的強度相當弱，但如果沒有它，驅動太陽和其他恆星的放射性衰變就不會發生。這種力之所以微弱，大約是因為攜帶這種力的粒子——W玻色子和Z玻色子——質量幾乎是質子的100倍。創造出這樣的粒子需要大量能量。在通常條件下，如果可以的話，物質粒子更願意交換沒有質量的光子來發生相互作用。

在極高的能量下，比如在宇宙誕生的最初一瞬間，或者粒子加速器的對撞當中，這些差異就消失了。電磁力和弱核力，在日常生活中相差如此之巨的兩種作用力，變成了統一的「弱電力」。

弱電力分裂成電磁力和弱核力的過程，被稱為弱電對稱破缺，必定發生在宇宙早期的某一時刻。不管是什麼導致了這一過程的發生，它與質量之謎都有著明顯的關聯。畢竟，通過這一機制，W玻色子和Z玻色子獲得了質量。希格斯玻色子最初就是提出來解釋這個對稱為什麼會破缺的。

對稱破缺並不僅限於奇異的作用力。日常生活中我們都會遇到一個例子，那就是液體冷卻後變成固體。對於液體來說，從所有方向上看過去，它都是一樣的。而對於固體來說，沿著不同的軸向看過去，它的樣子會有明顯的區別。在這個過程中，前面這種廣義上的對稱狀態被後面這種不太對稱的狀態取代了。

上世紀60年代，粒子理論學家開始研究，能不能發展出一些工具來描述這種對稱破缺，以便應用於不斷冷卻的宇宙。這絕非易事。固體或液體之中分子的相互作用，可以通過一套固定的參照坐標系來定義，然而由於愛因斯坦的廣義相對論，在宇宙之中你找不到這樣一個標準的參照系。

1964年，比利時理論學家羅伯特·布繞特（Robert Brout）和弗朗索瓦·恩格勒（Fran?ois Englert）提出了量子場方程，這種場能夠瀰漫於整個宇宙，在符合相對論的前提下產生弱電對稱破缺。英國物理學家彼得·希格斯（Peter Higgs）提出了同樣的方程，並且指出這個場中的漣漪會表現為一種新的粒子。同年稍晚些時候，傑拉德·古拉尼（Gerald Guralnik）、卡爾·哈庚（Carl Hagen）和湯姆·基博爾（Tom Kibble）將這些概念整合成了一種更為現實的理論——這就是標準模型的前身。

共有6位科學家在希格斯機制的發展過程中做出過貢獻，從左到右分別是：弗朗索瓦·恩格勒、卡爾·哈庚、傑拉德·古拉尼、彼得·希格斯、湯姆·基博爾和羅伯特·布繞特。圖片來源：《新科學家》

後來被稱為希格斯場的這個東西，它的中心思想就在於：即使處於最低能的狀態，空間也絕非空無一物。在空間中穿行的粒子或多或少會與這個場發生作用，這種作用使粒子在運動時產生了一種「粘黏」的特性，也就是質量。W玻色子和Z玻色子通過與這個場的某種相互作用獲得了它們的質量，費米子則通過另外一種相互作用獲得了質量。由於希格斯場不攜帶凈的電荷或者色荷，光子和膠子根本不與它發生作用，因此仍然沒有質量。

這是個漂亮的花招。為了找出還有沒有更多的東西，我們需要曝光希格斯場，方法就是讓它產生漣漪，而那些漣漪會被我們看成為希格斯玻色子。理論和實驗的發展讓我們對所需的能量有了一個很好的估計：希格斯玻色子的質量必定介於大約100 GeV到400 GeV之間。我們需要找一個相當巨大的機器才行。

新粒子現身

希格斯玻色子是短命的粒子，幾乎會在一瞬間就衰變成其他粒子。為了推斷出它的存在，我們必須測量這些衰變產物，尋找它們是從一個希格斯粒子衰變而來的證據。

幸運的是，標準模型預言出了我們需要知道的、有關希格斯玻色子的一切——除了它確切的質量。對於每一個可能的質量，我們能夠預言大型強子對撞機（LHC）中能夠產生的希格斯粒子的數量，並且預言它們會衰變成什麼。

例如，希格斯粒子有時應該會衰變成一對高能光子。由於粒子衰變時動量守恆，這兩個光子的動量就可以換算為產生這兩個光子的粒子的質量。許多現象都會產生一對光子，但如果我們專註於那些看上去像是希格斯玻色子產生的光子，然後把它們的動量繪製在一張圖表上的話，在對應於特定質量的動量數值上就會出現一個「鼓包」——某種未知的粒子就會以這樣的形式顯現出來。ATLAS和CMS都在質量相當於大約125 GeV的位置上看到了這樣的鼓包。2012年7月4日，他們向全世界宣布了這一結果。

這並不是唯一的證據。希格斯玻色子還應該會衰變成兩個Z玻色子，然後再進一步衰變成兩個輕子。把這些輕子的動量加在一起，在光子數據中相當於同樣質量的位置上，也產生出了一個峰值。W玻色子也提供了它們的證據。這些粒子衰變成為中微子，後者還沒有被檢測到，因此在這個實驗中還沒有出現明確的質量鼓包。相反，我們只看到了更多的W玻色子衰變，數量比希格斯玻色子不存在的情況要多。

總而言之，這些證據剛好足夠達到宣稱發現的「5σ」黃金標準，表明這一發現大概只有1/3500000的可能性是隨機統計雜訊所造成的假象。在那之後，對於那裡真的存在一個粒子，我們的確定性還在進一步增長。不過，我們還必須進行更多的實驗，才能確定它是不是我們所認為的希格斯玻色子。

大型強子對撞機中發生的每一次質子－質子對撞，都會產生大量接近光速向外飛散的粒子。正是從這些亂麻中找出的線索，幫助CERN的物理學家發現了新的粒子。圖片來源：《新科學家》ATLAS和CMS

當兩個質子在大型強子對撞機的ATLAS和CMS探測器的核心對撞時，它們會分解成構成質子的夸克和膠子，進而衰變成朝各個方向四散奔逃的大量粒子。這些探測器的任務就是測量或者分辨這些碰撞產物。

每個探測器都由一系列同心環構成。距離碰撞點最近的同心環由半導體構成。如果帶電粒子穿透這層半導體，被鬆散約束在這種材料的原子之中的電子就會被釋放出來，形成特定的電流，讓科學家能夠精確測量這些粒子的穿行路線。探測器周邊的磁場會彎曲這些帶電粒子的路線，彎曲的程度表明了這些粒子的動量。

再向外一個同心環，則由填充著液態氬（ATLAS）或者鎢酸鉛晶體（CMS）的探測器構成。與這些探測器中密集排列的原子發生的碰撞，會讓大多數粒子停滯在其中，這些粒子減速時發出的光子可以用來測量那些粒子的能量，從而鑒別它們的身份。

電子較重的「表親」，也就是μ子，不會在這些探測器中止步，但更外一層同心環中的專用探測器會鑒別和測量它們。對於更難以捉摸的中微子，則完全沒有進行測量。它們的存在是通過統計碰撞中產生的所有其他粒子的動量而推斷出來的。

每次都有許多質子－質子同時發生碰撞，這些碰撞產生的粒子接近光速向外飛出，而需要仔細研究的碰撞必須儘快篩選出來，因為不到50納秒之後，又會有另外兩束質子在探測器的核心發生對撞。大型強子對撞機目前正在升級，升級完成之後，這個時間會縮短到25納秒。如此大量的數據，會傳送到世界各地被連接在一起的計算機中，經由大量計算來鑒別希格斯玻色子是否存在。

大型強子對撞機

愛因斯坦提出的最著名的一個方程，E = mc²，將能量和質量聯繫在了一起。後果之一便是，當大質量粒子高速對撞在一起時，釋放出來的能量能夠用來創造出其他的大質量粒子。瑞士日內瓦附近CERN的大型強子對撞機，已經花了兩年時間，將能量高達4 TeV的質子對撞在一起。將攜帶這麼多額外能量的兩個質子對撞在一起，理論上，你能夠創造出8000多個質子。

LHC位於一條27千米長的隧道之內。通常，它被描述為一個環，但實際上，它更像是一個邊角有些圓的八邊形。在直線段，強大的電磁場給兩束相對運行的質子束注入能量，每次經過都會給它們加速。等到對撞時，它們的速度已經達到了光速的99.999999991%。

要弄彎如此高速運動的粒子束，你需要非常強大的磁鐵。電阻帶來的任何能量損失，都會成為運行時的短板，因此磁鐵必須由超冷的超導材料製成。即使如此，它們也只能把粒子束弄彎一點點——這就是LHC被建造得如此巨大的原因所在。

在八邊形的4個邊上，更多磁鐵將質子束約束到還不到人頭髮絲粗細，然後讓它們迎頭相撞。4個大型探測器：ATLAS、CMS、LHCb和ALICE，會在各個碰撞點上記錄碰撞結果。ATLAS和CMS是全功能探測器，設計用來測量到底撞出了什麼東西——包括搜尋轉瞬即逝的希格斯玻色子。

大型強子對撞機，位於日內瓦附近一條長達7千米的地下隧道之中。正是在那裡進行的質子對撞實驗，可能發現了傳說中的希格斯粒子。圖片來源：startswithabang.com

尚未回答的問題

標準模型是一個巨大的成功。然而，就算有了希格斯玻色子為它加冕，它也仍然是不完整的。引力在標準模型中明顯缺席，而且它也無法解釋暗物質——這種東西只能通過它的引力作用在天文觀測中被察覺到。接下來還有一個謎題：為什麼物質會比暗物質多這麼多，因為標準模型預言，它們的數量應該差不多是相等的。

粒子物理學的下一步，必須要解釋這些謎題。比如，我們有可能在大型強子對撞機的質子碰撞中產生出暗物質粒子，或者在深埋於礦井和坑道之中的幾個實驗裝置中避開宇宙線的干擾而搜尋暗物質粒子的蹤跡。另一種途徑是，我們或許可以觀察空間中兩個暗物質粒子湮滅而產生的高能粒子來間接地觀察暗物質，比如正在國際空間站上展開實驗的阿爾法磁譜儀（AMS）。

至於反物質，CERN的實驗或許可以製造並且存貯它們，我們甚至在正電子發射斷層掃描儀（PET）中利用它們來幫助醫生診斷癌症。LHCb實驗裝置會檢測質子－質子碰撞中產生的短命粒子的衰變，尋找反物質粒子何以如此稀少的證據。

中微子也可能會提供一些幫助。這些幽靈一般的粒子在空間中穿行時，會在3種中微子之間相互變換。在中國和韓國之間測量不同中微子混合程度的實驗暗示，正反物質的失衡可能也存在於中微子當中。自然界中觀察到的正反物質差異，和標準模型的預言之間存在的巨大鴻溝，或許可以藉此得以彌補。

更古怪的是，中微子的質量甚至有可能根本不是通過希格斯機制獲得的。因為中微子不攜帶任何的「荷」，它自己就是自己的反物質。果真如此的話，它的質量可能來自於它與自身的相互作用，而並非來自於它同希格斯場的相互作用。靈敏的地下實驗裝置正在尋找極其罕見的核衰變，那些衰變或許會告訴我們答案。

符合標準模型嗎？

如果承認已經誘捕到的就是希格斯玻色子，我們就沒有任何轉還的餘地了——因為標準模型已經預言了關於它的所有一切。

儘管我們相當確定，新發現的粒子正如希格斯粒子那樣會衰變成攜帶作用力的玻色子，但我們還不太確定它會不會衰變成構成物質的費米子。在更為罕見（或者說隱藏更深）的衰變中，希格斯粒子會衰變成底夸克、τ子，甚至μ子。升級之後的大型強子對撞機應該能夠精確地測量這些衰變。

標準模型還對希格斯粒子應該如何與頂夸克發生相互作用給出了明確的預言。（希格斯粒子無法衰變成頂夸克，因為頂夸克太重了。）任何不同於預言的偏差，都將為新物理學提供一絲跡象。

最讓人捉急的問題在於這個粒子的質量。在標準模型中，希格斯粒子與它自身及周圍粒子的相互作用似乎暗示，它應該擁有巨大的質量。但大型強子對撞機中發現的這個粒子，質量要小得多。

對標準模型加以「微調」，讓兩個巨大的數字幾乎（但又不完全）相互抵消，應該能夠解決這個問題，使得希格斯粒子擁有較小的質量。但許多人不喜歡這種修正，認為這樣的修正讓理論變得有點不自然了。

一個受人歡迎的提議能夠解決這個問題，那就是超對稱。這種理論通過費米子和玻色子之間的一種對稱，擴展了標準模型。它預言了一大批新粒子，每一個玻色子都有一個費米子與它對應，反之亦然。這些新粒子之間的相互作用，能夠自然而然地抵消使得希格斯粒子質量增大的那些因素。

問題在於，不論是大型強子對撞機，還是任何其他設備，目前都還沒有看到任何證據表明存在這些粒子——事實上，它們沒有找到任何證據支持任何超越標準模型的理論所作的預言。如果我們找到了一個希格斯粒子，卻沒有找到任何其他東西，或許我們就必須承認，自己生活在一個看似有點不太自然的世界之中。又或者，我們只是漏過了標準模型自身的某些細微之處。而最讓人激動人心的事情莫過於，在標準模型之外還有另一層全新的宇宙結構在等待著我們去發現。

等到大型強子對撞機在2015年年初重啟之時，它會以更高的頻率碰撞粒子，能量則比升級前幾乎翻番。如此一來，科學家便能探測新發現粒子的若干特性，檢驗它到底是不是給所有其他粒子賦予質量的那個粒子。

自旋便是有待探測的特性之一。希格斯玻色子之所以被歸類為玻色子，是因為理論預期它的自旋應該為整數——這就使它與光子之類攜帶作用力的粒子被歸入了同一大類。目前發現的所有玻色子，自旋都為1；而構成物質的粒子，比如夸克和電子，自旋都為半整數（比如1/2）。

但是，希格斯粒子並不是作用力的攜帶者。作為賦予其他所有粒子質量的一個背景場所產生的粒子，希格斯粒子必定能夠與所有其他粒子發生相互作用，不管它們自旋是多少——這種情況，只有當它的自旋為0時，才有可能出現。目前的證據已經相當具有說服力，但對這種新粒子的衰變產物的角分布進行更精確的測量將告訴我們，有沒有什麼變故隱藏在其中。

另一個關鍵問題在於，新發現的粒子如何與W玻色子和Z玻色子發生相互作用。科學家認為，正是通過這些相互作用，希格斯玻色子才把弱電力分割成了電磁力和弱核力。現在，我們已經有一隻腳站在了更堅實的土壤之上：新粒子衰變成W玻色子和Z玻色子的概率與標準模型預言的希格斯玻色子大致相符。進一步的測量或許會揭示它與標準模型的細微差異，也可能會揭示某些擴展模型中預言的其他希格斯玻色子。

但是，我們已經了解到了足夠多的信息，把新發現的粒子稱為某種希格斯玻色子，肯定是沒錯的。

編譯自：《新科學家》，The Higgs Boson