希格斯粒子與環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)

2012年7月4日，歐洲核子研究中心宣布，科研人員通過分析大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)取得的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一種新粒子。該粒子具有標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的“上帝粒子”希格斯粒子的若干特征。整個(gè)物理學(xué)界為之轟動(dòng)。

希格斯粒子究竟是什么？為什么全球數(shù)千位科學(xué)家，花費(fèi)數(shù)十億美元，堅(jiān)持50年在尋找它？它被喻為粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型“最后的一塊拼圖”，可是為什么當(dāng)它終于被發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家們卻說這是新物理的開端？中國科學(xué)家為什么想要建造下一代環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)來研究它？

時(shí)隔四年，閱讀本篇文章，希望能讓你對(duì)“希格斯粒子”與“環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)”的了解深入一步。

粒子物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”是一個(gè)描述物質(zhì)世界的基本構(gòu)成（基本粒子）及其相互作用的理論，于20世紀(jì)60至70年代在弱電統(tǒng)一理論以及量子色動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上逐步完善起來。物理學(xué)家溫伯格（Steven Weinberg）、薩拉姆（Abdus Salam）和格拉肖（Sheldom Lee Glaschow）等是標(biāo)準(zhǔn)模型的奠基人。

該模型把基本粒子分為夸克、輕子和玻色子三大類別，共62種，這些粒子后來陸續(xù)被高能物理實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型示意圖

標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的希格斯粒子是自旋為零的玻色子。與之相關(guān)的希格斯機(jī)制為基本粒子的質(zhì)量起源提供了動(dòng)力學(xué)解釋，因此是整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型的基石之一。假如希格斯粒子不存在，那將成為標(biāo)準(zhǔn)模型的重大缺陷。

希格斯粒子是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的一種自旋為零的玻色子，以英國理論物理學(xué)家彼得·希格斯（Peter Higgs）的名字命名。標(biāo)準(zhǔn)模型中的一些其他基本粒子受希格斯場(chǎng)的作用產(chǎn)生慣性，最終形成質(zhì)量。因此可以說，希格斯機(jī)制為物質(zhì)世界的形成奠定了質(zhì)量基礎(chǔ)。基本粒子有了質(zhì)量才能產(chǎn)生引力，才會(huì)形成宇宙和生命。在過去幾十年中，尋找希格斯粒子是許多大型高能粒子物理實(shí)驗(yàn)的最重要目標(biāo)。

1988年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者萊德曼（Leon Max Lederman）在其科普著作《上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什么是問題？》中，首次把希格斯粒子稱為“上帝粒子”，以強(qiáng)調(diào)它的重要性。此后媒體沿用了這一稱呼，為公眾廣泛接受。

簡(jiǎn)單來說，希格斯場(chǎng)是一種不可見的、遍及整個(gè)宇宙的能量場(chǎng)；希格斯機(jī)制是基本粒子的質(zhì)量產(chǎn)生機(jī)制。在希格斯機(jī)制中，希格斯場(chǎng)引起弱電規(guī)范對(duì)稱性的自發(fā)破缺，將質(zhì)量賦予傳遞弱相互作用的規(guī)范玻色子以及費(fèi)米子。希格斯粒子是希格斯場(chǎng)的量子激發(fā)，它通過自相互作用而獲得質(zhì)量。

根據(jù)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型和宇宙大爆炸理論，宇宙起源于一次大爆炸，無數(shù)的正反粒子同時(shí)產(chǎn)生，輕子和夸克通過與希格斯場(chǎng)的相互作用獲得了質(zhì)量。這些粒子構(gòu)成物質(zhì)，通過長(zhǎng)時(shí)間的演化形成了星系，最終形成今天的物質(zhì)世界。

1993年，英國科技大臣曾向科學(xué)家們發(fā)出挑戰(zhàn)，讓他們用一頁紙的篇幅解釋清楚希格斯機(jī)制。他共收到117份作品，其中英國倫敦大學(xué)學(xué)院的物理學(xué)家戴維·米勒(David J. Miller)的解釋被評(píng)為最優(yōu)。

用漫畫來解釋希格斯機(jī)制。作者：David J. Miller

米勒把希格斯場(chǎng)比作在一個(gè)均勻分散著的一大群政客的房間，把一個(gè)沒有質(zhì)量的基本粒子比作前英國首相撒切爾夫人（Margaret Hilda Thatcher）。普通人可以任意穿過房間，就像光子一樣。但是撒切爾夫人的到場(chǎng)，一定會(huì)吸引大量的關(guān)注：人們會(huì)圍攏在她周圍，減慢她穿行的速度，使她獲得“質(zhì)量”。這個(gè)類比形象地說明了沒有質(zhì)量的基本粒子是如何通過與希格斯場(chǎng)的相互作用而獲得質(zhì)量的。

希格斯粒子作為質(zhì)量之源，在137億年前的宇宙大爆炸初始就已經(jīng)完成了它的使命。現(xiàn)在，物理學(xué)家要再次捕獲希格斯粒子的蹤跡，就只有建造高能對(duì)撞機(jī)，通過高能粒子的對(duì)撞，來模擬宇宙起源的時(shí)刻，“復(fù)活”希格斯粒子。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC。圖片來源和版權(quán)所有：歐洲核子研究中心

捕獲希格斯粒子極為不易。希格斯粒子的質(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量的上百倍，需要極高的能量對(duì)撞才能“撞”出來。在位于瑞士和法國交界的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC中，每10^12次的質(zhì)子對(duì)撞，才可能產(chǎn)生一次希格斯粒子。就好比在一大堆沙子中，只有一顆金沙，把它找出來的概率極小。更麻煩的是，希格斯粒子極不穩(wěn)定，一旦產(chǎn)生就轉(zhuǎn)瞬即逝，十億分之一秒后就會(huì)衰變成光子、輕子對(duì)和強(qiáng)子等其他粒子。

為了尋找這塊“標(biāo)準(zhǔn)模型的基石”，全球的物理學(xué)家付出了近50年的艱辛努力。直到2012年7月，希格斯粒子才在歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上被發(fā)現(xiàn)。

2012年7月4日，歐洲核子研究中心召開全球新聞發(fā)布會(huì)， 宣布在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC的ATLAS和CMS實(shí)驗(yàn)中，以近5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的統(tǒng)計(jì)顯著度觀察到一種質(zhì)量為125GeV的新粒子，與標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯粒子的預(yù)期一致。

CMS實(shí)驗(yàn)捕獲希格斯粒子的示意圖。圖片來源和版權(quán)所有：歐洲核子研究中心

希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)，填補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)模型最重要的一個(gè)缺口，使標(biāo)準(zhǔn)模型的理論基礎(chǔ)更加堅(jiān)實(shí)，成為下一步粒子物理理論和實(shí)驗(yàn)發(fā)展的新路標(biāo)。基礎(chǔ)物理學(xué)因此面臨著一個(gè)重要的轉(zhuǎn)折和發(fā)展機(jī)遇。所以，這一發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是物理學(xué)在標(biāo)準(zhǔn)模型建立后的近幾十年來最重要的發(fā)現(xiàn)，是粒子物理學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)重大里程碑。

希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)從某種意義上完備了標(biāo)準(zhǔn)模型，但這并不是人類探索基本粒子的終結(jié)，而是一個(gè)新的開端。

發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子可以解釋為什么有些基本粒子具有質(zhì)量，但現(xiàn)有理論并未預(yù)言希格斯粒子和其他基本粒子的質(zhì)量數(shù)值，因此需要深入研究希格斯粒子的性質(zhì)，以解釋相關(guān)質(zhì)量。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)模型不是萬能和完美的，中微子質(zhì)量、暗物質(zhì)、暗能量、宇宙的物質(zhì)與反物質(zhì)不對(duì)稱等問題都無法通過它得到解釋。挖掘出標(biāo)準(zhǔn)模型背后的物理規(guī)律（又被稱為新物理），探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子和新相互作用，已成為當(dāng)今國際粒子物理實(shí)驗(yàn)研究的最前沿，而對(duì)希格斯粒子的深入研究很可能是最好的突破口。

研究物質(zhì)組成的微觀結(jié)構(gòu)需要借助大型對(duì)撞機(jī)，研究的尺度越小，所需要的對(duì)撞機(jī)的能量就越大。

希格斯粒子被發(fā)現(xiàn)后，科學(xué)家們非常希望擁有下一代正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)用以大量產(chǎn)生干凈的希格斯粒子，即“希格斯工廠”。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC上質(zhì)子對(duì)撞過程產(chǎn)生非常多的本底，使希格斯粒子事例混雜著大量無用“噪音”，給研究希格斯粒子的性質(zhì)帶來干擾和困難。如果采用正負(fù)電子對(duì)碰撞，則本底非常低，對(duì)希格斯粒子性質(zhì)更精確的測(cè)量將得以開展。

希格斯粒子被發(fā)現(xiàn)后，我國科學(xué)家于2012年9月提出建造下一代環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）并適時(shí)改造為超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（SppC）的方案，在國際上引起巨大反響。該方案一期建設(shè)周長(zhǎng)50-100公里、能量250 GeV的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)作為希格斯粒子工廠，二期在同一隧道中建造50-100 TeV的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，能量將比歐洲核子中心正在運(yùn)行的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC高7倍。

大型環(huán)形加速器CEPC和SppC的設(shè)想

建設(shè)CEPC的機(jī)遇是歷史對(duì)中國的青睞。以CEPC的優(yōu)勢(shì)，很有可能在超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理探索，以及標(biāo)準(zhǔn)模型的精確測(cè)量方面搶得先手，取得國際矚目的具有重大突破意義的物理成果。

50-100 TeV能區(qū)是科學(xué)家們最為期待的、極可能發(fā)現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)模型新物理的能區(qū)，將在超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)SppC上來實(shí)現(xiàn)。SppC也是未來新一代加速器設(shè)計(jì)的終極目的。

該方案的實(shí)施將使用和發(fā)展世界上最先進(jìn)的加速器相關(guān)技術(shù)，如機(jī)械、電子、真空、射頻微波、低溫超導(dǎo)、輻射防護(hù)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，可以大大推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，帶動(dòng)國家整體科技水平的提升。

環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）主要科學(xué)目標(biāo)：利用質(zhì)心系能量250 GeV附近的正負(fù)電子對(duì)撞產(chǎn)生大量而且干凈的希格斯粒子事例，從而精確測(cè)量其性質(zhì)，確認(rèn)該粒子是否為標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的希格斯玻色子，并通過它深入研究電弱對(duì)稱性自發(fā)破缺機(jī)制和質(zhì)量起源等基本問題，尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理的線索。

超級(jí)質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)(SppC)的主要科學(xué)目標(biāo)：致力新發(fā)現(xiàn)，通過高能質(zhì)子對(duì)撞，尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子和新物理現(xiàn)象，理解宇宙中暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)等等。

高能量是粒子物理領(lǐng)域發(fā)展的最前沿。為了引領(lǐng)粒子物理學(xué)的新時(shí)代，建造超高能對(duì)撞機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)已悄然展開，國際上正在醞釀的方案除了中國科學(xué)家提出的“環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)+超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)”(CEPC+SppC)，還有國際直線對(duì)撞機(jī)（ILC）、緊湊型直線對(duì)撞機(jī)（CLIC）、大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（LEP3）、極高能大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（TLEP）、未來環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCC）、超大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（VLHC）、繆子對(duì)撞機(jī)（MC）等。

這些設(shè)想各有優(yōu)勢(shì)，但仔細(xì)分析起來，CEPC+SppC在科學(xué)目標(biāo)的豐富性、可拓展性、技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性及性價(jià)比等方面具有綜合優(yōu)勢(shì)，在國際上處于領(lǐng)先地位。

建造CEPC是我國粒子物理界的一個(gè)夢(mèng)想，是中國成為國際高能物理中心的一個(gè)機(jī)遇，是中國在科學(xué)和技術(shù)上領(lǐng)先國際的一個(gè)重要方面和標(biāo)志，必將對(duì)人類探索未知世界做出非常重要、影響深遠(yuǎn)的貢獻(xiàn)。

我們所存在的世界到底是怎樣形成的？人類一旦開始追問，就注定踏上了追夢(mèng)的征途，永不會(huì)停下腳步。這世界，因?yàn)槲粗錆M驚嘆，而這也正是她的魅力所在。