整整10年前，我们发现了宇宙中独一无二的场

7月4日这一天在CERN（欧洲核子研究组织）有一个特别的名字，它被戏称为“希格斯独立日”。因为就在整整10年前，2012年7月4日，CERN举行发布会正式宣布，他们发现了希格斯玻色子。

那一刻，在场的所有人、在全球各地观看直播的物理学家一同欢呼，耄耋之年的彼得·希格斯（Peter Higgs）在现场亲眼见证了这一切。物理学一度登上了国际新闻的头条。

2012年希格斯玻色子发布会现场照片。（图／Maximilien Brice, CERN）

次年，彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒（François Englert）就因共同发现“一种有助于理解亚原子粒子质量起源的理论机制”而获得了诺贝尔物理学奖。

为什么这一发现会引起这么大的反响？它究竟意味着什么？这一切还要从理解自然运行的理论说起。

希格斯场是什么？

物理学家用量子场论的数学来描述粒子的相互作用，如今我们把这种简洁优雅的描述统称为粒子物理学的标准模型，它讲述了我们宇宙的基本成分，以及支配它们行为的规律。

在标准模型中，粒子之间的基本力正是由被称为玻色子的粒子携带的，比如光子就是携带电磁力的玻色子。到了20世纪中叶，当时研究这些基本粒子的物理学家遇到了一个难题：数学理论要求玻色子应当是无质量的。然而实验表明，弱相互作用的载体，也就是W和Z玻色子，其实具有相当大的质量。

事实上，真正解决这个问题花费了很长时间，就像许多物理问题一样，它离不开许多物理学家一步步地探索和参与。

但其中的关键一步发生在1964年，三个独立的理论学家团队提出了一个直接的解决方案。彼得·希格斯本人谦虚地称之为ABEGHHK’tH机制，这一连串字母代表了8位做出主要贡献的物理学家，它如今也常被称为布劳特-恩格勒-希格斯（BEH）机制。

可以这么理解，BEH机制说的是，宇宙中应该存在一个新的量子场，只有与这个场发生相互作用的粒子才能获得质量，换言之，这个场可以赋予基本粒子质量。

但让希格斯的名字和这一理论永远地联系在了一起的原因是，当时只有他明确地提到了，一种新的粒子会因为这个场的存在而出现在实验中。虽然这对任何懂得量子场论的人来说不言自明，但这一简单的举动最终让我们有了如今常说的希格斯玻色子和希格斯场。

如何才能发现它？

理论上预言希格斯场仅仅是第一步，想要真正解开谜团，离不开通过实验真正证实希格斯场的存在，也就是发现希格斯玻色子。

20世纪70年代起，CERN一些颇具远见的物理学家就开始计划一项大胆的实验，要创造并探测希格斯玻色子。

实验的原理看上去并不复杂，假设希格斯场真的存在，当两个质子以极高的速度迎头相撞时，它们应该可以产生足够的能量让希格斯场抖动，从而创造出希格斯玻色子。

当然，实际操作上还面临很多问题。比如，科学家无法控制对撞究竟会产生什么粒子，而出现希格斯玻色子的概率是极低的。也就是说，只有通过大量对撞，并在海量数据中搜索，才有可能找到足够的希格斯玻色子。

此外，我们还不可能直接探测到希格斯玻色子，因为它几乎会在出现的瞬间就发生衰变，而能探测到的只是它衰变后的粒子。相对来说，希格斯玻色子衰变成两个光子或两个Z玻色子是相对更容易发现的。这就需要物理学家像侦探一样，“从海量粒子中找到粒子”。

CERN的两项实验ATLAS和CMS观测到了希格斯玻色子衰变成两个光子的特殊信号。（图／ATLAS, CERN）

最终，ATLAS和CMS两个实验团队使用定制算法，筛选出了具有代表性的粒子信号。为了保证实验结果的准确性，团队的分析是不公开进行的，也就是说，没有得到批准前，研究人员不可能查看最终数据。这就带来了戏剧性的揭盲时刻。

直到2012年6月底，在揭盲的那天早上，两个团队最终确认，他们在同一个地方发现了应该出现的峰值。这就是7月4日正式对外公布的结果——希格斯玻色子找到了。

希格斯玻色子的发现事实上是一个转折点，它标志着标准模型终于变得完整，成了迄今为止最成功的物理理论之一。

但问题远没有结束。希格斯场的背后还藏着太多谜团。

希格斯场有什么特别之处？

希格斯场在许多方面都是独一无二的。

举个简单的例子，无论是观测到的还是假想的量子场，都有不同的种类。矢量场就像风一样，它们既有大小又有方向。因此，矢量玻色子存在一个内禀角动量，物理学家称之为自旋。但标量场只有大小，没有方向，标量玻色子自旋为0。目前粒子物理学标准模型中唯一的标量场就是希格斯场。

同时，希格斯场的发现意味着，宇宙最初发生过一个关键事件，成了如今万物存在的原因。在大爆炸之后很短很短的一刻，大约只有万亿分之一秒左右，希格斯场开启，并上升到了一个特定的值，赋予了基本粒子恰到好处的质量。

希格斯场的这个特别的值大有讲究，它实际上决定了基本粒子的质量。物理学家哈里·克利夫在中举了一个非常形象的例子来解释它。

我们可以把希格斯场想象成一个调节旋钮，就像家里的空调旋钮。如果它的值降低一些，粒子就会变轻，增加一点儿，粒子则会变重。

但如果按照理论，希格斯场应该只有两个值，也就是0和10¹⁹GeV，或者说，这个调节旋钮按理来说只能控制开和关，这样一来，要么我们宇宙中的粒子并不会有质量，要么他们的质量硕大无比，以至于任何结构一旦形成都会立刻坍缩成黑洞。

但显然，两者都不是我们宇宙中发生的情况。根据W和Z玻色子的质量，我们计算出希格斯场的值约为246GeV，也就是说，旋钮因为某种原因仅仅略微旋转了一点，仿佛进行了“微调”，达到了一种无法解释的完美理想值，让如今的宇宙中充满了有趣的物质，还有研究这些有趣物质的奇特生物，也就是我们。

这种可疑的现象也正是目前推动物理学家继续探索的最大动力之一。物理学家正期待发现一些新的物理现象，比如前所未知的物理场或者超越标准模型的其他东西，来解释这个令人困惑的问题。

#创作团队：

撰文：Takeko

排版：雯雯

#参考来源：

https://home.cern/news/series/higgs10/higgs10-higgs-boson-and-rise-standard-model-particle-physics-1970s

https://atlas.cern/Discover/Physics/Higgs

https://home.cern/news/series/lhc-physics-ten/higgs-boson-what-makes-it-special

[英] 哈里·克利夫，如何从头开始做一个苹果派，中信出版·鹦鹉螺，2022年7月

#图片来源：

封面图：Daniel Dominguez CERN

首图：CERN