王贻芳院士：当代粒子物理的主旋律——希格斯粒子 | 科技导报

王贻芳，实验高能物理学家，中国科学院院士，美国国家科学院外籍院士，俄罗斯科学院外籍院士，发展中国家科学院院士。现任中国科学院高能物理研究所所长，中国科学院大学核科学与技术学院院长等。研究方向为高能物理实验。

2024年4月9日，我们正在法国马赛参加希格斯工厂环形正负电子对撞机（Circular Electron Positron Collider，CEPC）的欧洲研讨会。爱丁堡大学的同事过来说，希格斯先生去世了，大家唏嘘不已。过去几年，一直听说他健康状况不佳。2023年7月，在希格斯的家乡爱丁堡举行上一届研讨会时曾邀请他，但因身体原因未能来。没想到才不到10个月，他就永远离开了我们。最近几年，粒子物理标准模型的几位奠基者相继离世，从20世纪60年代中后期建立起来的标准模型逐渐进入历史，一个新的时代正在到来。

20世纪90年代初，我在意大利西西里岛的埃里切（Erice）小镇参加兹齐齐（Zichichi）教授组织的研讨会，有幸第一次见到希格斯先生。他和蔼可亲，不爱说话，每天晚上跟大家一起吃饭、聊天，没有尊卑长幼，大家随便坐。有一天晚餐，我坐在他旁边，那时还没有手机，没能留下照片，很是遗憾。当时我在欧洲核子研究中心丁肇中教授领导的L3实验组工作，同办公室一个同学的博士论文题目是《希格斯玻色子的寻找》，经常听他作报告，感觉希格斯玻色子找不到的样子。所以，在埃里切时也没有觉得有生之年希格斯玻色子能被找到，估计希格斯先生自己也没抱太大希望。

希格斯先生不仅提出了定域规范对称性自发破缺的机制，还预言了其场粒子（后来被称作希格斯玻色子）应该存在并且可以被实验探测到。 由此他享有的盛誉远超其他只提出对称性自发破缺机制（现称“希格斯机制”，或更准确地称为“Brout-Englert-Higgs机制”）的同行们。希格斯机制的基本形式在凝聚态物理中并不十分陌生，金兹堡-朗道关于超导的唯象理论就与希格斯场势的形式一模一样。有人认为凝聚态理论家安德森也独立发现了“希格斯机制”，但温伯格首次将希格斯机制引入SU（2）×U（1）规范理论并建立了弱电统一标准模型，李辉昭（Benjamin Whisoh Lee）命名了这个机制的场粒子为希格斯玻色子，诺贝尔奖委员会仔细研究了原始文献，确认了各位前辈的贡献并给予了高度的评价和奖励。今天常用的“希格斯玻色子”应该说表述基本无误，希格斯先生实至名归。

希格斯玻色子发现后，标准模型里不再有尚未发现的新粒子，且其预言及计算与迄今为止的实验结果在很高的精度上符合 ，标准模型被确立为粒子物理的基本理论，就像相对论和量子力学在物理学中的地位一样。粒子物理研究因而进入下一阶段：不再以检验理论模型为首要任务，而是以提供新的实验数据、为建立新的理论模型奠定基础为首要任务。这是研究范式的转变，也是标准模型提出之前的研究范式。那时的实验物理学家只是埋头自己的工作，追求更高的加速器能量，希望提供更多的新数据，并不关心自己的实验建议（或更高的加速器能量）是否能验证任何理论或被理论学家认可。理论物理学家面对无法理解的数据也极为迷茫，以致有人离开了粒子物理研究领域。今天我们对未来也有一定的迷茫，不知道未来的理论是什么样子，实验目标的具体理论意义在哪里。这与标准模型提出之前有一定的相似性。但历史证明，迷茫也是实现重大突破、建功立业的机会，就像标准模型的那些奠基者一样。愿我们的年轻人对未来有信心，粒子物理研究不会就此终止，机会属于有心人和乐观的人。

标准模型并不是一个终极理论，只能说是在弱电能标（约 100 GeV量级）附近的有效理论。 有质量的中微子对标准模型提出了巨大挑战，也许会引入新的粒子，结果迄今无法估量。标准模型既不完备，如不能解释夸克与轻子之间的对称，未能纳入有质量的中微子、暗物质粒子等，不能解释宇宙中的物质-反物质不对称性，更无法与引力作用相统一；也不完全自洽，如真空的不完全稳定，希格斯玻色子本身质量的来源等；更谈不上优美，如基本粒子之间巨大质量的差异极不自然，它们与希格斯玻色子之间的耦合常数需要手动地根据实验结果在十几个量级之间调整，希格斯玻色子的质量是2个大数相减得出的结果，其调节的精度要求令人无法置信，等。实验上，W粒子的质量、g-2的测量等与理论并不符合；味物理 （flavor physics）有关的一些实验测量也有许多与理论偏离在3倍标准偏差左右。虽然这些实验结果还需要更多的验证，其理论预言的计算也有改进的空间，但这些迹象都不能忽略，需要更多的实验测量与研究，也需要更多的实验装置。

事实上，上述关于标准模型理论上的疑问，大多跟质量有关。希格斯玻色子的发现，既回答了一个标准模型的根本问题——质量的来源，也提出了许多与质量相关的新问题。寻找超出标准模型的新物理，希格斯玻色子是最好的窗口。例如，天文观测中发现的暗物质，非常可能源于一种（或多种）暗物质粒子，其唯一已知的性质是具有质量。而希格斯场赋予所有基本粒子以质量，这包含暗物质吗？很容易想象，希格斯玻色子与暗物质粒子的关系比标准模型里的其他基本粒子要密切。从与希格斯玻色子的耦合去寻找暗物质是一个有希望的重要途径。事实上，我们要寻找的超出标准模型的新世界一定是有质量的，似乎都应该和希格斯玻色子有耦合。目前来看，很难有另一个寻找新物理的窗口比希格斯更好。

从历史经验来看，所有主要的基本粒子发现后，都有相应的粒子工厂去仔细研究它，例如研究奇异夸克的有意大利的DAφNE，粲夸克有北京正负电子对撞机，底夸克有美国和日本的B-工厂和超级B-工厂，Z粒子有欧洲核子研究中心的大型正负电子对撞机（ Large Electron-Positron，LEP）等。希格斯玻色子是如此重要和奇特，自然应该有一个希格斯工厂去研究它。

2012年9月，中国科学家率先提出建设基于环形正负电子对撞机的希格斯工厂，当时国际上也有各种规模较小的方案，如欧洲的LEP3和TLEP（Triple-Large Electron-Positron Collider）、日本的Super TRISTAN、美国费米实验室的Site-Fitter等。中国方案规模最大，且首次提出在后期可以升级为一个质子对撞机以重复利用隧道，在国际上获得极大关注。随后欧洲提出了类似的未来环形对撞机（Future Circular Collider，FCC），具有电子对撞（FCC-ee）和质子对撞（FCC-hh）2个阶段，并将质子对撞机作为首要目标，正负电子对撞的希格斯工厂作为可能的中间阶段（或前期阶段）。

经过多年研讨，大家终于在2019年前后认识到希格斯工厂才是科学上的正确首选。2020年欧洲高能物理战略规划将FCC-ee作为未来发展的首选，美国的高能物理顾问委员会（High Energy Physics Advisory Panel，HEPAP）在2023年确定发展规划，将希格斯工厂作为未来高能加速器发展的首选。日本的国际直线对撞机（ International Linear Collider，ILC）和欧洲的紧凑型直线对撞机（ Compact Linear Collider，CLIC）在2015年左右将其设计能量调整到希格斯物理的能区范围。而中国早在2012年就启动了希格斯工厂环形正负电子对撞机的设计与预研。至此，全球高能物理学界一致将未来聚焦在希格斯工厂，研究希格斯玻色子，寻找其与新物理的耦合。

在国际高能物理未来发展战略的这一轮讨论中，中国科学家首次提出了正确的思路和想法，引领了相关讨论和方向，并在随后的设计、预研中走在国际最前列。 中国率先启动了希格斯工厂研究、率先完成了概念设计报告（Conceptual Design Report，CDR）和技术设计报告（Technical Design Report，TDR），在国际上引起很大反响，也推动了各国在该领域的发展。中国的关键技术预研取得了突出成绩，包括超导高频腔、高效速调管、高精度磁铁、束流测试系统等均走在国际前列，各项指标达到国际领先。相关技术已经开始应用在国内的其他装置，如散裂中子源二期、高能同步辐射光源、自由电子激光装置等。

中国科学家一直以来从理论和实验2个方面参与了希格斯物理的研究，也参与了希格斯玻色子的发现。目前有近百位科学家在欧洲核子研究中心参加大型强子对撞机超导环面探测仪（A Toroidal LHC Apparatus，ATLAS）和紧凑μ子线圈探测器（Compact Muon Solenoid，CMS）2个实验，既参与了探测器的研制，也参与了数据分析、物理研究以及近年来加速器亮度升级超导磁体的研制，作出了重要贡献。一大批青年科学家在这个过程中成长起来，他们有望主导未来国际高能物理发展，成为国际舞台的主角。

回顾几十年来国际高能物理的发展，希格斯物理是主旋律之一。最近十几年，希格斯工厂更是大家关注的焦点，无论是在国内还是在国外。这既说明中国的高能物理已经走到国际舞台中央，也说明中国开始面临真正的国际竞争。未来非常有挑战，也非常有希望。全球高能物理的未来系于希格斯玻色子，也系于希格斯工厂。希格斯先生是幸运的，他等到了希格斯玻色子的发现；但也有遗憾，没有等到希格斯工厂的立项开建。我们比他幸运，一定会看到希格斯工厂（无论建在哪里），也很有希望看到希格斯玻色子与新物理的耦合。

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