迟来的诺贝尔奖：深度解读“希格斯粒子”

2013年诺贝尔物理学奖授予彼得·W·希格斯（Peter W. Higgs） 和弗朗索瓦·恩格勒（Fran·ois Englert），以表彰他们对希格斯玻色子（又称“上帝粒子”）所做的预测。那么，到底什么是希格斯玻色子呢？

希格斯粒子是一种亚原子粒子，也就是说，理论上认为它应当是构成宇宙的最基本组成部件之一。但是它仍然有待实验观测证实。科学家们提出的物理学标准模型预言了这种粒子的存在，其作用是解释为何其它粒子会拥有质量。根据这一理论，在宇宙大爆炸之后，一种看不见的力，即希格斯场和与之相对应的粒子 ——希格斯-玻色子一同形成。正是这个场赋予其它基本粒子以质量的属性。

为何这一粒子如此重要？

希格斯场赋予整个宇宙中其它粒子以质量的方式可以用游泳者在水池中受到的水的阻力来做比喻。如果粒子没有质量，它们便可以在宇宙中以光速前进，因为质量的本质便是对物体改变其速度的制约性。

这种粒子最早是什么时候被提出来的？

有关这一粒子的理论最早是在1964年由6位物理学家共同提出来的，其中就包括英国爱丁堡的皮特•希格斯（Peter Higgs）教授。他们当时提出这一粒子的目的就是为了解释质量的起源。

理论上，这一粒子的存在将正好补全描述整个宇宙如何运行的物理学标准模型的缺陷，因此它便显得尤其重要。

如何对其进行搜寻？

欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）是人类有史以来建造的最强大的粒子加速器，它的工作原理是将两束质子流以接近光速的速度迎头相撞，在此过程中得到其它粒子。

在1989年至2000年之间，科学家们也曾使用同样位于欧洲核子中心的另一台加速器LEP进行搜寻工作，而由于经费不足被关停之前，美国的Tevatron加速器也进行过对这一神秘粒子的搜寻工作。

科学家们如何能知道自己究竟是否发现了这样的粒子呢？

如果在LHC加速器中进行的数以十亿计的对撞实验中真的产生了希格斯-玻色子，根据预测，它应当是不稳定的，会迅速衰变为更加稳定，质量更小的粒子。物理学家们需要对这些衰变产物进行分析，并且通过分析来推断这种被称为“上帝粒子”的神秘粒子是否存在。在分析过程中，希格斯粒子是否存在会从数据图形的峰值中体现出来。

六点重大影响：

1. 揭开质量起源之谜

物体的质量是怎么来的？这个问题一直困扰物理学界，而希格斯玻色子恰恰被认为与宇宙中一切物体的质量起源有关。希格斯玻色子与一种场有关，那就 是所谓的希格斯场，理论上认为这种场充斥着整个宇宙。当宇宙中的其它粒子在这一场中运行时便获得了质量的属性。这就有点像是大家都在一个游泳池里游泳，然 后身上都会被打湿，在这里，被水打湿就像是物体获得质量一样。

美国哈佛大学物理学家杰奥•哥斯达（Joao Guimaraes da Costa）表示：“希格斯粒子的机制让我们能够理解粒子获得质量的途径和方式。” 哥斯达是去年欧洲核子中心宣布疑似希格斯粒子发现时，大型强子对撞机（LHC）所属ATLAS探测器设备的标准模型召集人。他说：“如果没有这种机制，那 么所有的一切物体都将失去质量。”

确认此次发现的粒子确实是希格斯粒子将证明我们设想的粒子获得质量属性的方式是正确的。美国加州理工学院物理学教授玛利亚•斯皮罗普鲁 （Maria Spiropulu）表示：“这项发现从量子层面支持了我们对于质量来源的看法，而这正是我们当初建造大型强子对撞机的目的。这是一项无与伦比的成就。”

而后，这将进一步为一个更深层次的问题提供解决的线索，那就是：为什么这些粒子拥有这一质量数值？这个值是如何确定的？对此，哈佛大学物理学家 丽萨•兰德尔（Lisa Randall）表示：“这是一个大得多的问题。确认这的确是希格斯粒子只是整个过程的第一步，此后我们才能更往前走，这两者之间是相互联系的。”

2. 完善标准模型

标准模型是当代粒子物理学的基石，它描述了整个宇宙中所有的粒子。所有被标准模型所预言的粒子此前都已经被找到了，除了希格斯粒子。就在去年宣 布初步结果时，欧洲核子中心ATLAS实验设备科学家乔纳斯•斯兰德伯格（Jonas Strandberg）就曾表示：“这是标准模型中缺失的一环，因此如果这一发现得到最终确认，那么它将最终证明我们目前的认识是正确的。”

到目前为止，科学家们所发现的这一疑似希格斯粒子似乎和标准模型中预言的性质相吻合。但即便如此，标准模型本身也并不完整：例如它没有包括引力，也没有将被认为占据整个宇宙物质总量约98%的暗物质成分考虑进去。

美国费米国家实验室CMS中心的物理学家帕提•麦克布雷德（Patty McBride）在上周四表示：“即便有证据清晰地证明目前我们新发现的这一粒子确确实实就是标准模型所预言的希格斯玻色子，即便如此我们对宇宙的认识仍 然模糊不清。”他说：“我们仍然不能理解为何引力如此微弱，我们还要面对巨大的暗物质的存在。不过，对于这一已经有48年历史的经典理论来说，迈出了完善 的第一步仍然不失为一件令人高兴的事。”

3. 电弱相互作用

确认希格斯粒子还将对电弱相互作用的构建产生重要影响。这种作用是对电磁作用与弱相互作用的统一描述，这两者都是自然界的基本力类型之一。电磁作用描述带电粒子之间的相互作用，而弱相互作用则描述放射性衰变过程。

自然界中所有力的作用都和某种粒子有关。比如与电磁力有关的粒子是光子，这是一种质量为零的特殊粒子。而弱相互作用力则和名为W和Z的玻色子有关，这两种粒子都拥有很高的质量值。而所有这些粒子的质量来源，便被认为是希格斯玻色子的作用造成的。

欧洲核子中心的斯兰德伯格表示：“如果引入希格斯场的概念，那么W和Z玻色子就会和这个场混杂在一起，在这一过程中它们便获得了质量。”他说：“这解释了为何W和Z玻色子会有质量，并将电磁作用和弱相互作用两种基本力统一了起来，构成电弱相互作用。”

4. 超对称理论

超对称理论也将受到希格斯粒子发现的影响。这一理论认为任何一种已知的粒子都有一个“超级伙伴”粒子，这种伙伴粒子拥有轻微差异的性质。超对称 理论拥有很大的吸引力，因为它可以统一自然界中的其它基本作用力，甚至有希望揭开暗物质构成之谜。然而到目前为止这一理论的前景黯淡，科学家们只找到了和 标准模型预言的希格斯粒子性质极其相似的粒子，但是却没有能发现任何和超对称粒子有关的线索。

5. 大型强子对撞机

大型强子对撞机（LHC）是世界上最大的粒子加速器。这一耗资约100亿美元的设备率属于欧洲核子研究中心（CERN），其目的是创建地球上能 级最强大的粒子加速器设施。而其中找出希格斯玻色子则被列为了该设备的最优先目标之一。此次最新宣布的结果为LHC此前的结果提供了强有力的证明，也是对 此前一直在这里为达成这一目标而忘我工作的物理学家们所取得丰硕成果的最好证明。

斯皮罗普鲁在去年的一份声明中表示：“这项发现从量子层面支持了我们对于质量来源的看法，而这正是我们当初建造大型强子对撞机的目的。这是一项 无与伦比的成就。”他说：“科学家们已经等待了整整一代人的时间，为的就是这一刻。来自全世界各地大学和研究机构的粒子物理学家，工程师和技术人员们已经 为了达成今天的这一成就奉献了数十年的辛勤工作。现在是时候让我们暂时停下脚步，回过头去审视这项发现的意义了，然后再继续进行海量的数据收集和分析工 作。”

希格斯玻色子最早是在1964年由英国物理学家皮特•希格斯和同事们提出的。而这个名字的后半部分则是为了纪念杰出的已故印度物理学家和数学家 玻色，他与爱因斯坦一同给出了玻色子的定义。玻色子是一类基本粒子，主要包括胶子和引力子等。其负责传递费米子之间的相互作用，如夸克，电子和中微子等 等。费米子是宇宙中的另外一种基本粒子类型。

6. 宇宙的命运

希格斯玻色子的确认将为科学家们开启一扇大门，让他们得以进行此前无法进行的一些计算。其中一些计算的结果有关宇宙的命运。有一种观点认为宇宙将在未来数十亿年内毁灭。

在进行这样的计算时，希格斯玻色子本身的质量是一个非常关键的参数，它预示了时空的未来命运。目前的测量值显示，希格斯玻色子的质量约为质子的126倍，这一质量值几乎已经处在了一个临界点上，它将有可能让宇宙在未来数十亿年内走向毁灭。

约瑟夫•林肯（Joseph Lykken）是美国费米国家实验室的物理学家，他表示：“计算的结果告诉我们，在数十亿年之后宇宙将可能面临灾难。”他说：“这或许意味着我们所生活于其中的这个宇宙本身存在着内在的不稳定性，在数十亿年之后这一切都将归于瓦解。”

基本粒子质量之源

若没有希格斯粒子，其他基本粒子就会仍以光速运行，宇宙将仍然是一锅沸腾的基本粒子汤，不能组成物质，生命无从谈起。


希格斯粒子究竟是什么？为什么找到它如此重要？

早在2000多年前，人类便开始追问，我们所生活的世界是怎样形成的？从德谟克利特的“原子说”到如今被科学家普遍接受的标准模型理论，从朴素的形而上学概念到标准模型所预言的粒子陆续被证实，人类似乎越来越接近这一问题的答案。

在标准模型里，宇宙由62种不可再分的基本粒子构成，通过强力、弱力及电磁力这三种基本作用力组合成各种复合粒子，进而构成物质世界。

欧洲的大型强子对撞机

基本粒子可以分为两大类：自旋为半整数的费米子（fermion）和自旋为整数的玻色子（boson）。费米子是构成物质“实体”的粒子，也称之为物质粒子，而玻色子则传递基本相互作用，也可称为载力粒子。

然而在标准模型建立过程中，有一个问题却一直困扰着科学家：按照标准模型理论，基本粒子并没有质量，但实验结果却又清楚表明，除了光子以外的基本粒子都是有质量的。

1964年，希格斯等人提出了“希格斯机制”的概念，在理论上解决了这个问题。希格斯们认为宇宙间遍布“希格斯场”，基本粒子在与希格斯场的相互作用下获得了质量，而形成希格斯场的就是一种新的粒子，被命名为希格斯粒子。

根据对希格斯粒子性质的预言，希格斯粒子的自旋为零，是一种玻色子，所以又把希格斯粒子称为希格斯玻色子。

希格斯理论提出，在宇宙诞生的最初，并没有希格斯粒子的存在，其他的各种基本粒子都如光子一般，以光速横冲直撞。宇宙诞生十几秒后，希格斯粒子 诞生，形成了“希格斯场”。除了光子，其他的基本粒子与希格斯粒子发生碰撞后，就如同轻巧的棉花吸饱了水分一般，获得了质量，而速度就慢下来了。

慢下来的基本粒子“夸克”在强相互作用下，抱团组成了质子、中子等粒子，质子和中子又组成了原子核，原子核与电子在电磁力作用下又形成了原子，原子构成分子，由此形成了我们所见到的大千世界。

如果没有希格斯粒子，其他的基本粒子就会仍然以光速运行，不能聚合在一起，我们的宇宙将仍然是一锅沸腾的基本粒子汤，根本不能组成物质，生命也无从谈起。

希格斯玻色子的存在是希格斯机制的必然结果之一，假若实验证实希格斯玻色子存在，则可给予希格斯机制极大的肯定。更重要的是，它的发现弥补了标准模型的缺漏，奠定了标准模型的基础。

由于希格斯粒子一直未被发现，这些重要的问题一直悬而未决。这个标准模型理论预言的最后一个粒子便一直成为科学家们苦苦追求的目标。

等等，万一希格斯理论被证明是错误的，希格斯粒子根本就不存在呢？

曾获诺贝尔奖的著名粒子物理学家莱德曼表示，如果这样，标准模型理论将被推翻，至少需要进行修改。他表示，“这就像哥伦布启程去寻找印度群岛一样，他和他的信徒们相信，如果没有达到目的，他也会发现一些别的东西，这些东西可能会更有意义。”

在这个意义上来说，很多科学家反倒有些失望，毕竟找到一个48年前就被预言了的“老粒子”多少有些无趣，他们期盼的是更为颠覆性的发现：假如标准模型被推翻，整个物理世界的理论都有可能要重新改写。

寻找希格斯粒子历程艰难花费惊人

上帝粒子之所以取名为希格斯，是因为它是英国科学家彼得•希格斯（Peter Higgs）于1964年提出的（与他差不多同时提出希格斯这一机制的还有其他几个人，一旦希格斯粒子的存在最后被确认，他们将分享诺贝尔物理奖）。

寻找希格斯的工作早在上世纪90年代的LEP对撞机上就开始了。LEP似乎看到了希格斯的小尾巴， 可惜LEP对撞机由于要让位于LHC的修建而过早关闭了，从此便与希格斯擦肩而过（现在看来，LEP的能量再提升一点就有能力看到希格斯了）。

接下来前赴后继的是美国费米实验室的Tevatron对撞机，这一领世界风骚近20年的对撞机也对希格斯进行了大力追捕，也模模糊糊看到了希格斯的娇容，可惜这一对撞机正值壮年就被关闭了（被关闭的原因是在能量和亮度两方面都竞争不过欧洲人的LHC对撞机）。

其实在LHC建造之前，美国人已经开始建造超级超导对撞机SSC，按照设计它将是真正的巨无霸对撞机，其能量比LHC还要高3倍，目标也是寻找 希格斯。可惜，SSC由于花费惊人（被称为“吞噬金钱的无底洞”）而被美国国会终止了，已经挖好的地洞也被填平（很多第三世界国家的人为此叹息，这些花巨 资挖的地道可以作防空洞或地道战用啊）。

但是，欧洲人并没有因此而停顿建造LHC的步伐，欧共体成员国共同出钱如期完成了LHC工程（世界上其他大国包括中国在内，也不同程度地出了钱）。LHC对撞机是人类历史上投资最大的科学研究机器，造价高达100亿美元，这一人类历史上最高能量对撞机的主要目标就是寻找上帝粒子——希格斯。由于LHC涉及到几十个国家和几百个大学，它的发言人在7月4日的发布会做最后总结时说，LHC是全球的力量、全球的成功。

这是欧洲核子中心大型强子对撞机的ATLAS探测器获得了数据的模拟粒子路径图。希格斯玻色子是当两个质子以14TeV的极高能级相撞时产生的，此后它会迅速衰变为4个μ子，这是一种不会被探测装置吸收的大质量电子。这一图像中，μ子的运行路径用黄色线标示。

当地时间2011年12月13日，欧洲强子对撞机实验室进行的高能量光子轨迹图

看到这里证明大家都是好学的孩子，还是没看懂么？

没关系，其实我也不是很懂，那我们看看来自科学松鼠会的九维空间的继续解读：

希格斯玻色子的意义

希格斯玻色子——或者，至少是0自旋，衰变产物等特性和希格斯玻色子一模一样的新粒子。这也是物理学在2012年最大的进展。判定这个粒子依据是：在质量125-126 G电子伏左右出现信号，置信度达到5个标准误差，意味着可信度大于99.99994% 。

为什么希格斯玻色子如此重要？主要有两个原因，第一个是它是标准模型中唯一还没有被发现的粒子，因为它的质量最大，以前加速器的能量都无法把它轰出来，只有LHC可以。第二个原因是它和电子，光子，夸克等我们耳熟能详的基本粒子不同，它是个奉献者，是其它粒子静质量的来源。

大型强子对撞机

如果没有希格斯玻色子，世界会变成什么样？那样的世界里，由于没有静质量（如同光子），所有的基本粒子都是以光速在运动。由于基本粒子间传递相互作用的速度就是光速，于是意味着难以存在由夸克形成的稳定原子核。而电子若静质量为零，更意味着不可能形成原子，分子。这样，宇宙中便不会有出现各式各样的星球，更不会出现生命。

怎样比喻希格斯粒子给其它基本粒子提供质量的原理？希格斯粒子的发现完善了粒子物理的标准模型，标准模型的根基是量子场论，量子场论则是量子力学和狭义相对论的结合。在量子场论中，所有的粒子都是分布在全空间的场。场的最低能量状态叫“真空态”，随着能量的提高出现场的单粒子态，双粒子态，三粒子态等等。而这个“真空态”并不是一无所有，因为场的最低能量并不为零。希格斯场与其它所有基本粒子的场都不同的是，它在宇宙诞生那一刻，真空态经历了瞬间的破缺，变成现在这个样子。正是这个瞬间破缺给了每一种基本粒子静质量（光子和胶子除外）。

前天在欧洲核子中心（CERN）确认发现的希格斯玻色子，就是希格斯场经过真空对称性破缺后的产物，也可以说是希格斯场给了其它基本粒子静质量之后，剩下的那部分所对应的粒子。这部分还会跟很多粒子发生作用而产生衰变，所以能通过衰变产物来够探测到。当然，它不会再给基本粒子们静质量了，因为在宇宙创生之初已经给过了。

粒子世界里，自旋为整数的粒子称为玻色子，如光子，胶子的自旋都是1。自旋为半整数的粒子称为费米子，如电子，夸克，中微子的自旋都是1/2。希格斯粒子属于玻色子，因为他的自旋是0，这也是目前知道唯一自旋是0的玻色子。

希格斯玻色子是如何被理论上预言的？主要原因来自量子场论的两个成果，物理学家一开始并没有看出这两个成果的深刻联系。借用一句评书体：花开两朵，咱各表一支。第一支是和杨振宁先生密切相关的Yang-Mills理论，第二支是Goldstone定理。

杨振宁先生在物理学上最重要的贡献，并不是和李政道先生一起发现的宇称不守恒，当然更不是娶了个小他54岁的老婆。他最重要的贡献是50年代和Mills提出的Yang-Mills场论。Yang-Mills场论不允许有静质量的玻色子存在，而当时实验结果暗示传递弱相互作用的玻色子是有质量的，因此Yang-Mills场论未受重视。

另一方面，Jeffrey Goldstone 在1962年证明了量子场论中，一个真空态存在自发对称破缺的标量场（自旋=0的场），会伴随着一个质量，电荷，自旋都是零的粒子出现。自然界当然没有这种粒子，所以Goldstone定理一开始只被看成一个数学游戏。

Yang-Mills场论和Goldstone定理就这样同命相怜。时间很快到了1964年，量子场论出现了重大突破，Brout，Englert和Higgs等人的工作让前面这两个屌丝理论一夜之间合体成了高富帅理论。他们发现这两个理论是完美的互补！Yang-Mills场论通过某些限定条件（学名规范对称性）限制了玻色子的形式，希格斯（Higgs）等人证明这些玻色子和Goldstone定理中的对称破缺后标量场相互作用，会获得静质量，同时标量场剩余的部分就对应自旋为0但是有静质量的粒子。有些眼熟？没错，这就是希格斯机制和希格斯玻色子！

这就是希格斯机制的意义，同时挽救了Yang-Mills场论和Goldstone定理，一箭双雕，一石二鸟。之后进一步研究可以发现电子和夸克等费米子也能通过希格斯机制获得静质量。随后温伯格，萨拉姆，格拉肖三位物理学家通过希格斯机制实现了电磁相互作用和弱相互作用的统一，并因此获得1979年诺贝尔物理学奖。

粒子物理学的标准模型，就是包含希格斯机制的电弱统一理论，和描述强相互作用的量子色动力学（QCD）。而希格斯机制要求希格斯玻色子的存在。一旦找不到希格斯玻色子，那么标准模型就需要修改，物理学家必须给出其它的原因来解释Yang-Mills规范玻色子和费米子的质量来源，模型都比希格斯机制复杂。

7月4日公布的新粒子，CERN方面通过分析数据，说可以确定95%以上的可能性就是标准模型中的希格斯玻色子。作为标准模型中最后一个被实验发现的粒子，可以说这次发布的结果标志着标准模型的实验证据完善。但标准模型并不是物理世界的终极理论，因为他的基础——量子场论本身就不是终极的物理理论。

在更小的时空尺度下，基本粒子们所符合的可能是含有超对称的量子场论，而标准模型只是它在稍大尺度下的近似。如果时空尺度小到普朗克尺度之下，可能是超弦理论等含有引力的更深层次理论来主导这个世界。当然寻找相应的实验证据需要更大更贵，更耗能的加速器，甚至也许会超过人类文明的极限。

无论如何，人类还走在这条发现宇宙最基本单元的路上，LHC的下一个目标是验证超对称。超对称是费米子和玻色子之间的深层次的内在联系，它如果存在，基本粒子的数量会翻番，三维空间也不再会满足要求，超弦理论就是超对称和弦论的结合，它要求空间是九维甚至是十维。人类对空间的观念将会产生变革。

最后还要补充一下，媒体总用“上帝粒子”来代表希格斯玻色子，实际上诺贝尔物理学奖得主Lederman在其介绍希格斯玻色子科普书中，想把让物理学家头疼的希格斯玻色子起个外号“Goddamn particle”。出版商觉得不妥，遂改为“God particle”。也就是说，别以为希格斯玻色子和上帝真有什么关系。

竟然能看到这里，我真服了你，还是看不懂么？没关系。我相信很多人看不懂的，所以你们不要自卑，好学本质来说不是个坏事！只是告诉你一下，这是一个很厉害的东西。