“世界是由什么構(gòu)成的？”
這個在文明誕生之初就伴隨著人類的問題，直到最近 2 個世紀(jì)，才逐漸有了準(zhǔn)確的答案。
兩百多年前，化學(xué)家發(fā)現(xiàn)，世間萬物都可以最終拆解為幾十種不同的化學(xué)元素。20 世紀(jì) 30 年代，物理學(xué)家進一步發(fā)現(xiàn)，所有元素都是由原子構(gòu)成的。
在這個尺度上，每個原子被解構(gòu)為一個位于原子中心的原子核以及若干個核外的帶負(fù)電的電子。原子核則被進一步分解為不同數(shù)目的帶正電的質(zhì)子以及電中性的中子，他們的質(zhì)量占據(jù)了原子質(zhì)量的絕大部分。每一克物質(zhì)，都包含了將近一億億億個質(zhì)子或中子。不過即便如此，質(zhì)子與中子仍然不是人類微觀探索之旅的終點。
在以微米和納米為衡量尺度的微觀世界被納入人類大發(fā)現(xiàn)的體系之后，粒子物理這個新的學(xué)科也開始獨立于核物理而存在，一個新的物理體系理論 —— 粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型得以建立。
而當(dāng)衡量世界的尺度發(fā)生變化，一切所謂的理所當(dāng)然都重新成為被質(zhì)疑的存在。如同數(shù)學(xué)家們持之以恒的沖擊“1+1=2”一樣，在物理世界中，質(zhì)量也不再是不容質(zhì)疑的物質(zhì)基本屬性。已發(fā)現(xiàn)的物理規(guī)則表明，能量可以通過某種“交易”機制成為質(zhì)量 —— 但是，最初的質(zhì)量從哪里來？
粒子物理的理論模型一直希望解決質(zhì)量的起源問題。上世紀(jì)中期，粒子物理的理論認(rèn)為量子場所激發(fā)出的粒子應(yīng)該是沒有質(zhì)量的。沒有質(zhì)量的粒子應(yīng)該像光子一樣，永遠(yuǎn)以光速傳播，并且可以傳播向無限遠(yuǎn)，然而，現(xiàn)實中科學(xué)家卻從未觀測到這樣的粒子。
1964 年，弗朗索瓦?恩格勒、羅伯特?布繞特，以及彼得?希格斯分別發(fā)表了 2 篇文章，指出如果假設(shè)存在一個無處不在的場 —— 即日后被稱為“希格斯場”的場，那么粒子的行動就會被影響，然后通過與希格斯場的相互作用獲得質(zhì)量。而這一機制則被稱為“希格斯機制”。
在希格斯機制下，質(zhì)量起源不再是問題，但同時也帶來了新的問題，那就是，作為希格斯場存在的佐證之一 —— 希格斯粒子在哪里？
而在找到它之前，我們首先需要理解，希格斯粒子到底是什么？對此，倫敦大學(xué)學(xué)院的粒子物理學(xué)家大衛(wèi)?米勒有一個精彩的論述。
他描述了這樣一種情況：假如在一個雞尾酒會上，大家都在自由地交談。此時的所有人就是分布在空間的希格斯場。這時如果一個無人在意的無名小輩走入了酒會，他就可以自由地在酒會上穿梭，隨意改變行動方向 —— 就像一個無質(zhì)量的粒子。但是假如此時一位名人 (比如愛因斯坦) 走入了房間，那么他就會迅速被酒會上的人注意到，并圍上來，因此也就只能緩慢地移動，并且難以改變方向 —— 就像一個有質(zhì)量的粒子。
但是，假如沒有人進入房間，只是門口有個人悄悄地講了一個傳聞，這個傳聞就會迅速在房間內(nèi)傳播，因此聚集起一小團聽傳聞的人群。而且，雖然每個人聽完傳聞之后就回到了自由交談的狀態(tài)，但是這條傳聞會隨著一小團變動的人群繼續(xù)移動下去。于是，就像是聚集的人群能給愛因斯坦賦予質(zhì)量一樣，這小團聚集的人群也給自身賦予了質(zhì)量。這時，這小團聚集的人群就是一個希格斯粒子。
就像是上帝創(chuàng)造了光一樣，希格斯機制賦予了萬物質(zhì)量，而希格斯粒子就像是希格斯場激起的漣漪，能證明希格斯機制的存在。因此，希格斯粒子又被稱為“上帝粒子”。
而在希格斯機制理論提出 3 年之后，史蒂芬?溫伯格等人嘗試搭建粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型時才意識到，希格斯粒子就像是標(biāo)準(zhǔn)模型的鑰匙，釋放出了楊－米爾斯方程中被盒子緊鎖著的質(zhì)量。從此，希格斯粒子和希格斯機制成為了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的第三塊基石 —— 如同楊－米爾斯方程以及夸克模型。
在標(biāo)準(zhǔn)模型三大基石集齊之后，謝爾頓?格拉肖、阿卜杜勒?薩拉姆、以及史蒂文?溫伯格等人在統(tǒng)一電磁力和弱核力的嘗試中，逐漸地將這三大基石融合，繪出了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的基本藍圖，而高能物理學(xué)界對希格斯粒子的追逐也就此開始，一場持續(xù)半個多世紀(jì)的“貓和老鼠”的游戲拉開了序幕。
希格斯粒子現(xiàn)形
科幻小說《三體》中，三體人質(zhì)子技術(shù)的任務(wù)之一，是鎖死地球的科學(xué)進步，為 400 年后三體人世界占領(lǐng)地球掃除潛在障礙。為了達成這一目的，質(zhì)子基本上就只做了一件事，就是在人類建造的大型粒子對撞機中隨意干擾高能粒子的運動，讓這個裝置的一切實驗結(jié)果毫無規(guī)律可言。
現(xiàn)實如同科幻的翻轉(zhuǎn) —— 大型粒子對撞機正是目前粒子物理學(xué)家尋找新粒子的終極武器。科學(xué)家將粒子加速，然后將兩束相向運動的粒子瞄準(zhǔn)一個點對撞，在對撞的瞬間，粒子的動能全部釋放出來，一部分能量就能通過與質(zhì)量的“交易”機制轉(zhuǎn)換成質(zhì)量，與此同時，新的粒子誕生。
在此之前，人們試圖從宇宙線中捕獲希格斯粒子。早年人們曾從宇宙線中發(fā)現(xiàn)了正電子、繆 (μ) 子和派 (π) 介子等粒子，然而至今，人們能夠津津樂道的粒子依然還是這幾個。自二十世紀(jì)五十年代以后，從宇宙線中就再也沒有新發(fā)現(xiàn)了。
二十世紀(jì)六七十年代，法國、美國、蘇聯(lián)、德國等國先后建造了十幾個對撞機。這些對撞機大小相差巨大，從周長幾米到周長兩千米，分別覆蓋了許多不同的能量區(qū)間，可以分別研究不同的特定課題。借助對撞機這一研究利器，粒子物理學(xué)進入了一輪爆發(fā)式的發(fā)展，粲夸克、底夸克、頂夸克、W± 以及 Z 玻色子等被先后發(fā)現(xiàn)。
二十世紀(jì)七十年代末，建造周長 27 千米的“大型電子對撞機”(LEP) 的計劃誕生。經(jīng)過幾年的設(shè)計和論證，歐洲核子研究中心最終于 1981 年的 5 月 22 日批準(zhǔn)了這個宏大項目。經(jīng)過長達 5 年的施工與安裝，大型正負(fù)電子對撞機 LEP 終于在 1989 年正式啟動，27 千米的周長也讓它成為了迄今為止人類歷史上最大的科學(xué)研究儀器。
當(dāng) LEP 處于施工之時，美國的粒子物理學(xué)家完成了對另一臺更加宏偉的對撞機的設(shè)計，即周長達到 80 多千米的超導(dǎo)超級對撞機（SSC）。1990 年，它在美國得克薩斯州開始破土動工。然而，命途多舛的 SSC 在經(jīng)歷了臨陣設(shè)計更換、冷戰(zhàn)對抗結(jié)束、總統(tǒng)換屆、國際空間站項目競爭等內(nèi)外變故之后變得愈發(fā)坎坷，終于在 1993 年被叫停。
不過在 20 世紀(jì)的最后十年，美國還是成功運行了一臺被寄予尋找希格斯粒子希望的對撞機 ——1986 年底的美國費米國家實驗室，一個周長 6.3 千米的正反質(zhì)子對撞機“萬億電子伏特加速器”(Tevatron) 以空前的對撞能量運行了起來，Tevatron 所創(chuàng)造的 1.96TeV 能量記錄維持了二十多年，直到被歐洲核子研究中心的大型強子對撞機 (LHC) 打破。
不過，不管是 LEP 還是 Tevatron，由于能量仍不夠高，以及收集到的數(shù)據(jù)的內(nèi)容過于復(fù)雜等原因，這兩臺曾在粒子物理其他領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用的對撞機都未能找到希格斯粒子。
1994 年，在美國的對撞機競爭對手 SSC 被取消之后，歐洲核子中心的各成員國緊接著在投票通過了 LHC 的建設(shè)計劃，并在新世紀(jì)的第一個十年內(nèi)完成了歐洲大型強子對撞機（LHC）的建設(shè)與調(diào)試工作。為此，LEP 也為 LHC 讓路，于 2001 年被拆除，讓后者使用了它的隧道。
LHC 主要進行四項大型實驗，包括 ATLAS (超環(huán)面儀器實驗)、CMS (緊湊繆子線圈實驗)、ALICE (大型離子對撞實驗) 和 LHCb (底夸克實驗)。為此，它本身占據(jù)了一條 27 千米長的隧道，建設(shè)了幾個逐級加速的加速器環(huán)，其加速器環(huán)占據(jù)的地表橫跨了湖泊和城市，對撞能量也達到了驚人的 14 萬億電子伏特，質(zhì)子在加速器內(nèi)獲得的能量能達到自身質(zhì)量的近萬倍，在 27 千米加速器環(huán)內(nèi)以每秒 1.1 萬次的頻率飛行，速度達到光速的 99.99%，每秒鐘能發(fā)生高達 10 億次的撞擊事例，質(zhì)子之間劇烈的碰撞產(chǎn)生的瞬時溫度可與宇宙大爆炸后不久 (約 10~12s) 的狀態(tài)相比。
2009 年年底，LHC 完成了它的第一次對撞，并如期待般迅速且高效地收集了大量粒子對撞的數(shù)據(jù)。2012 年 7 月 4 日，在歐洲核子研究中心的主報告廳里舉行了一場特別的報告會，半個多世紀(jì)前預(yù)言了希格斯粒子的彼得?希格斯和弗朗索瓦?恩格勒也被邀請到了現(xiàn)場。
報告會上，在 LHC 上運行的兩個實驗分別宣布了他們發(fā)現(xiàn)了“像是希格斯粒子的信號”。由于 LHC 上的數(shù)據(jù)量如此之大，他們認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)是誤判的可能性只有幾百萬分之一。
報告會上，兩個實驗的科學(xué)家們分別展示了他們最新分析到的數(shù)據(jù)，在公布最后結(jié)果的時候，聽眾們?nèi)滩蛔≡谂_下歡呼，“終于，我們發(fā)現(xiàn)了它！”
經(jīng)過了接近半個世紀(jì)的努力，人類終于發(fā)現(xiàn)了這個“關(guān)乎質(zhì)量起源的粒子”，填上了粒子物理學(xué)“標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖”。《科學(xué)》雜志將希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)評為當(dāng)年最重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
撞出更多上帝粒子
希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)被視為自原子結(jié)構(gòu)揭示以來人類對宇宙認(rèn)識的重大突破，這一突破開啟了粒子物理的新時代。但另一方面，物理學(xué)家也十分清楚目前的標(biāo)準(zhǔn)模型是不完善的，很多實驗觀測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測相沖突，于是，對希格斯粒子的精確研究成為粒子物理學(xué)界一個非常明確的需要完成的目標(biāo)，而借助的工具，則是正負(fù)電子對撞機。
這是一種與 LHC、SSC 性質(zhì)不同的對撞機。后者依靠超高的能量、復(fù)雜的物理過程，產(chǎn)生大量不確定的對撞產(chǎn)物，然后被科學(xué)家們篩選、研究，也因此上面研究的課題可以很分散；而正負(fù)電子對撞機則運行在“合適”的對撞能量上，產(chǎn)生大量相對“干凈”、給科學(xué)家更清晰事件信號的目標(biāo)粒子，因此又被當(dāng)作某一種目標(biāo)粒子的“粒子工廠”。
2012 年，科學(xué)家在 LHC 上發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子并確定了產(chǎn)生希格斯粒子所需的能量后不久，各國的科學(xué)家團隊都拿出了可以作為“希格斯粒子工廠”的正負(fù)電子對撞機的建設(shè)方案。目前國際上有三個基于正負(fù)電子對撞的“希格斯工廠”方案，日本的國際直線對撞機 (ILC)，中國的高能環(huán)形正負(fù)電子對撞機 (CEPC)，以及歐洲的未來環(huán)形對撞機 (FCC)。
ILC 是個長達 30 千米的直線加速器，它進行正負(fù)電子對撞，質(zhì)心系能量可達 500 GeV 或更高，既可以作為“希格斯工廠”，也可以運行在更高的能量研究希格斯自耦合等。盡管 ILC 造價昂貴且建設(shè)過程存在風(fēng)險，但考慮到 ILC 極為重大的科學(xué)意義，承建國很有希望因此而成為粒子物理領(lǐng)域新的霸主。
歐洲 CERN，美國費米實驗室 Fermilab 和日本高能加速器研究機構(gòu) KEK 均對建造 ILC 表現(xiàn)出極大興趣。經(jīng)過多年的預(yù)研和競爭，國際高能物理學(xué)界最終形成共識，支持日本承建 ILC 項目。2021 年日本成立了 ILC 項目開發(fā)中心，預(yù)計未來 3~4 年成立預(yù)實驗室 (Pre-Lab)。
而中國，在希格斯粒子發(fā)現(xiàn)兩個月后，開始提出建造中國下一代環(huán)形正負(fù)電子對撞機 CEPC 的設(shè)想，其目標(biāo)是精確測量希格斯粒子的性質(zhì)以及探索標(biāo)準(zhǔn)模型背后更基礎(chǔ)的物理規(guī)律。具體說，即先建造一個周長約 50~100 千米、能量為 240 GeV 的環(huán)形正負(fù)電子對撞機作為希格斯工廠；條件成熟后在同一隧道內(nèi)將其改造為能量 50~100 TeV 的超級質(zhì)子對撞機，能量將比正在運行的 LHC 高約 6 倍。
與此同時，圍繞這個可能耗資千億人民幣的大科學(xué)裝置，中國科學(xué)界進行了一場史無前例的大辯論。在 2016 年 9 月份物理學(xué)家楊振寧撰寫文章《中國今天不宜建造超大對撞機》反駁數(shù)學(xué)家丘成桐之后，其巨大的影響力直接帶動了這場討論在社交平臺的關(guān)注度，于是，從科學(xué)家到媒體到普通網(wǎng)民均開始參與這場原本是科學(xué)界內(nèi)的討論。
如今回看這場辯論，討論角度之全，從基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展、科學(xué)裝置之間預(yù)算的均衡到民生的需要均有涉及。而中國的對撞機雖幾經(jīng)波折，其設(shè)計還是緩步開啟。2018 年 11 月，CEPC 研究團隊正式發(fā)布了加速器、物理和探測器兩卷概念設(shè)計報告，由來自 24 個國家，222 個研究機構(gòu)的 1143 位研究人員共同簽署發(fā)表長達 930 多頁的設(shè)計報告。2022 年 3 月，中科院高能物理所所長王貽芳在采訪中表示 CEPC 的預(yù)研工作“還有兩三年就可以全部完成”。
至于歐洲核子研究中心（CERN）的 FCC，于 2019 年發(fā)布了設(shè)計。一年后，歐洲粒子物理戰(zhàn)略規(guī)劃明確將正負(fù)電子對撞機希格斯工廠列為優(yōu)先級最高的下一代高能物理加速器設(shè)施并且布局、投資了大規(guī)模的技術(shù)研發(fā)。
不過，與此同時，CERN 仍在運行 LHC，并且在未來 15~20 年內(nèi)計劃對 LHC 進行多次升級改造。而在全球范圍內(nèi)，所謂更高級的正負(fù)電子對撞機仍長期處于設(shè)計階段時，LHC 將不可避免地長期霸占最先進大型對撞機的稱謂。
在高能物理學(xué)界，對撞機是決定性的科學(xué)裝置。如果以諾貝爾獎為標(biāo)準(zhǔn)的話，依賴于加速器的粒子物理重大發(fā)現(xiàn)占 90% 以上。因為 LHC 需要頻頻運行和升級才能滿足實驗需要，它的每一次停機和重啟也就成為高能物理學(xué)界的大事件。
LHC 的第一次長期停工（LS1）發(fā)生 2013 年 2 月 13 日，在進行了為期 2 年的運維與升級之后，才于 2014 年 6 月重啟。此次升級涉及 LHC 的許多方面：讓它可以在 14 TeV 處實現(xiàn)碰撞，并增強了其探測器和預(yù)加速器（質(zhì)子同步加速器和超級質(zhì)子同步加速器），更換了其通風(fēng)系統(tǒng)和 100 公里長的電纜。
在升級后設(shè)備收集的大型數(shù)據(jù)集上，科學(xué)家們對希格斯粒子的性質(zhì)進行了更詳細(xì)的研究，提高了許多其他結(jié)果的精度，首次展示了幾種粒子在較高碰撞能量下的橫截面測量，還發(fā)現(xiàn)了 59 個新的強子。
而運行三年之后，LHC 于 2018 年 12 月 10 日開始了第二次長期停工（LS2）。本來預(yù)期于 2021 年結(jié)束升級，因為疫情影響，延遲至今年 4 月 22 日才成功重啟。在此期間，LHC 和整個 CERN 加速器綜合體得到了維護和升級。升級后的目標(biāo)是實施高亮度大型強子對撞機（HL-LHC）項目，這將使其亮度增加 10 倍，從而提高觀測到罕見反應(yīng)的概率，并改善統(tǒng)計上的邊際測量。
可預(yù)見的是，在它的下一次停工時間（HL-LHC 項目完成之后，即 2026 年）到來之前，粒子物理勢必將完成新一輪飛躍。而屆時，希格斯粒子這枚上帝粒子將以怎樣的面目出現(xiàn)，依然是一個未知數(shù)。
本文來自微信公眾號：品玩 （ID：pinwancool），作者：白寧
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