编者按：瑞典皇家科学院于2013年10月8日北京时间18：45分，授予弗朗索瓦·恩格勒（François Englert）和彼得·希格斯（Peter W. Higgs）诺贝尔物理学奖，获奖原因是他们预测了希格斯机制。


2013年诺贝尔物理学奖，颁给了弗朗索瓦·恩格勒（上）和彼得·希格斯（下），以表彰他们在发展赋予基本粒子以质量的希格斯机制方面所做的贡献。图片来源：news.com.au

如果把物质分割得越来越小，会发生什么？\
最终，你会得到构成物质的分子或者原子。但这些东西还能进一步分解成电子和原子核。而原子核又可以继续被分割成构成它们的质子和中子。它们的内部则是夸克。
到了这一步，你就已经抵达了标准模型（我们当前的粒子物理学理论）之中，我们视为是基本的那一层面。不管你一开始分割的是什么物质，到了这个地步，你都会得到一大堆夸克和一大堆电子之类的粒子。
夸克事实上还可以分成6种：构成质子和中子的是较轻的上夸克和下夸克，另外还有较重的奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。电子则属于另外6种粒子构成的另一个家族，即轻子：包括电子的两种质量更重的“表亲”——μ子和τ子，以及与它们一一对应的3种几乎没有质量的中微子。所有这12种物质粒子，被统称为“费米子”，都各自拥有一种与它们完全相同、只是电荷相反的反物质粒子。就是这样了。物质不可能再分割到比这些基本粒子更小了。

如此简洁的基本粒子组合，与实验事实完美吻合，但其中隐藏着一个令人费解的难题。所有这些物质粒子都有一个属性，被称为“质量”——这是一种抗拒被移来移去的属性。不同粒子的质量各不相同，从质量最轻的电子中微子到质量最重的顶夸克，跨越超过11个数量级之多。这些质量来自何方，为什么又如此千差万别呢？\
破缺的对称
在标准模型之中，构成物质的费米子通过作用力发生相互作用，而作用力是由另一大类被称为“玻色子”的粒子传递的。以电磁力为例，是它使得原子能够形成，驱动电流在我们的电器中奔腾，而传递电磁力的玻色子则是光子。光子与物质的相互作用取决于电荷的多寡：电子（携带1个负电荷）感受到的电磁力，就要强于夸克（携带-⅓或者+⅔个电荷）。不带电荷的中微子，根本感受不到电磁力。
夸克还拥有各自的“色荷”，被称为胶子的粒子依据色荷产生强核力。这种力要比电磁力强得多，但奇怪的是，胶子本身也携带色荷，因而会彼此粘黏在一起。于是，我们从未见到过夸克和胶子以游离态的形式自由自在地漫游，只能在质子和中子之类的粒子内部才能看到它们——强核力的作用范围也不会超出亚原子尺度的范畴。

新粒子现身
希格斯玻色子是短命的粒子，几乎会在一瞬间就衰变成其他粒子。为了推断出它的存在，我们必须测量这些衰变产物，寻找它们是从一个希格斯粒子衰变而来的证据。
幸运的是，标准模型预言出了我们需要知道的、有关希格斯玻色子的一切——除了它确切的质量。对于每一个可能的质量，我们能够预言大型强子对撞机（LHC）中能够产生的希格斯粒子的数量，并且预言它们会衰变成什么。

例如，希格斯粒子有时应该会衰变成一对高能光子。由于粒子衰变时动量守恒，这两个光子的动量就可以换算为产生这两个光子的粒子的质量。许多现象都会产生一对光子，但如果我们专注于那些看上去像是希格斯玻色子产生的光子，然后把它们的动量绘制在一张图表上的话，在对应于特定质量的动量数值上就会出现一个“鼓包”——某种未知的粒子就会以这样的形式显现出来。ATLAS和CMS都在质量相当于大约125 GeV的位置上看到了这样的鼓包。2012年7月4日，他们向全世界宣布了这一结果。
观测到的这个“鼓包”表明，在质量大约为125 GeV的地方，存在一种新的粒子。图片来源：《新科学家》

这并不是唯一的证据。希格斯玻色子还应该会衰变成两个Z玻色子，然后再进一步衰变成两个轻子。把这些轻子的动量加在一起，在光子数据中相当于同样质量的位置上，也产生出了一个峰值。W玻色子也提供了它们的证据。这些粒子衰变成为中微子，后者还没有被检测到，因此在这个实验中还没有出现明确的质量鼓包。相反，我们只看到了更多的W玻色子衰变，数量比希格斯玻色子不存在的情况要多。
总而言之，这些证据刚好足够达到宣称发现的“5σ”黄金标准，表明这一发现大概只有1/3500000的可能性是随机统计噪声所造成的假象。在那之后，对于那里真的存在一个粒子，我们的确定性还在进一步增长。不过，我们还必须进行更多的实验，才能确定它是不是我们所认为的希格斯玻色子。

ATLAS和CMS
当两个质子在大型强子对撞机的ATLAS和CMS探测器的核心对撞时，它们会分解成构成质子的夸克和胶子，进而衰变成朝各个方向四散奔逃的大量粒子。这些探测器的任务就是测量或者分辨这些碰撞产物。
每个探测器都由一系列同心环构成。距离碰撞点最近的同心环由半导体构成。如果带电粒子穿透这层半导体，被松散约束在这种材料的原子之中的电子就会被释放出来，形成特定的电流，让科学家能够精确测量这些粒子的穿行路线。探测器周边的磁场会弯曲这些带电粒子的路线，弯曲的程度表明了这些粒子的动量。
再向外一个同心环，则由填充着液态氩（ATLAS）或者钨酸铅晶体（CMS）的探测器构成。与这些探测器中密集排列的原子发生的碰撞，会让大多数粒子停滞在其中，这些粒子减速时发出的光子可以用来测量那些粒子的能量，从而鉴别它们的身份。

电子较重的“表亲”，也就是μ子，不会在这些探测器中止步，但更外一层同心环中的专用探测器会鉴别和测量它们。对于更难以捉摸的中微子，则完全没有进行测量。它们的存在是通过统计碰撞中产生的所有其他粒子的动量而推断出来的。
每次都有许多质子－质子同时发生碰撞，这些碰撞产生的粒子接近光速向外飞出，而需要仔细研究的碰撞必须尽快筛选出来，因为不到50纳秒之后，又会有另外两束质子在探测器的核心发生对撞。大型强子对撞机目前正在升级，升级完成之后，这个时间会缩短到25纳秒。如此大量的数据，会传送到世界各地被连接在一起的计算机中，经由大量计算来鉴别希格斯玻色子是否存在。

大型强子对撞机中发生的每一次质子－质子对撞，都会产生大量接近光速向外飞散的粒子。正是从这些乱麻中找出的线索，帮助CERN的物理学家发现了新的粒子。图片来源：《新科学家》

尚未回答的问题
标准模型是一个巨大的成功。然而，就算有了希格斯玻色子为它加冕，它也仍然是不完整的。引力在标准模型中明显缺席，而且它也无法解释暗物质——这种东西只能通过它的引力作用在天文观测中被察觉到。接下来还有一个谜题：为什么物质会比反物质多这么多，因为标准模型预言，它们的数量应该差不多是相等的。
粒子物理学的下一步，必须要解释这些谜题。比如，我们有可能在大型强子对撞机的质子碰撞中产生出暗物质粒子，或者在深埋于矿井和坑道之中的几个实验装置中避开宇宙线的干扰而搜寻暗物质粒子的踪迹。另一种途径是，我们或许可以观察空间中两个暗物质粒子湮灭而产生的高能粒子来间接地观察暗物质，比如正在国际空间站上展开实验的阿尔法磁谱仪（AMS）。
至于反物质，CERN的实验或许可以制造并且存贮它们，我们甚至在正电子发射断层扫描仪（PET）中利用它们来帮助医生诊断癌症。LHCb实验装置会检测质子－质子碰撞中产生的短命粒子的衰变，寻找反物质粒子何以如此稀少的证据。

中微子也可能会提供一些帮助。这些幽灵一般的粒子在空间中穿行时，会在3种中微子之间相互变换。在中国和韩国之间测量不同中微子混合程度的实验暗示，正反物质的失衡可能也存在于中微子当中。自然界中观察到的正反物质差异，和标准模型的预言之间存在的巨大鸿沟，或许可以借此得以弥补。
更古怪的是，中微子的质量甚至有可能根本不是通过希格斯机制获得的。因为中微子不携带任何的“荷”，它自己就是自己的反物质。果真如此的话，它的质量可能来自于它与自身的相互作用，而并非来自于它同希格斯场的相互作用。灵敏的地下实验装置正在寻找极其罕见的核衰变，那些衰变或许会告诉我们答案。
大型强子对撞机中的质子－质子对撞，能够产生出希格斯玻色子，但希格斯玻色子转瞬就会衰变成其他粒子。通过分析衰变产物，科学家能够反推出希格斯玻色子。图片来源：《新科学家》

对标准模型加以“微调”，让两个巨大的数字几乎（但又不完全）相互抵消，应该能够解决这个问题，使得希格斯粒子拥有较小的质量。但许多人不喜欢这种修正，认为这样的修正让理论变得有点不自然了。
一个受人欢迎的提议能够解决这个问题，那就是超对称。这种理论通过费米子和玻色子之间的一种对称，扩展了标准模型。它预言了一大批新粒子，每一个玻色子都有一个费米子与它对应，反之亦然。这些新粒子之间的相互作用，能够自然而然地抵消使得希格斯粒子质量增大的那些因素。
问题在于，不论是大型强子对撞机，还是任何其他设备，目前都还没有看到任何证据表明存在这些粒子——事实上，它们没有找到任何证据支持任何超越标准模型的理论所作的预言。如果我们找到了一个希格斯粒子，却没有找到任何其他东西，或许我们就必须承认，自己生活在一个看似有点不太自然的世界之中。又或者，我们只是漏过了标准模型自身的某些细微之处。而最让人激动人心的事情莫过于，在标准模型之外还有另一层全新的宇宙结构在等待着我们去发现。

另一个关键问题在于，新发现的粒子如何与W玻色子和Z玻色子发生相互作用。科学家认为，正是通过这些相互作用，希格斯玻色子才把弱电力分割成了电磁力和弱核力。现在，我们已经有一只脚站在了更坚实的土壤之上：新粒子衰变成W玻色子和Z玻色子的概率与标准模型预言的希格斯玻色子大致相符。进一步的测量或许会揭示它与标准模型的细微差异，也可能会揭示某些扩展模型中预言的其他希格斯玻色子。
但是，我们已经了解到了足够多的信息，把新发现的粒子称为某种希格斯玻色子，肯定是没错的。
编译自：《新科学家》，The Higgs Boson
相关的果壳网小组