比利時理論物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒(左)、英國理論物理學(xué)家彼得·希格斯（右）資料圖。

黑板上的希格斯機制方程式。

質(zhì)子與質(zhì)子碰撞痕跡演示圖。

　　新聞背景

　　上周，比利時理論物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒、英國理論物理學(xué)家彼得·希格斯因成功預(yù)測希格斯玻色子（又稱“上帝粒子”）而獲得2013年諾貝爾物理學(xué)獎，這被普遍認為是一個眾望所歸的決定。

　　希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)，使得粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的所有粒子全部被實驗發(fā)現(xiàn)。那么，理論物理是不是從此無事可做？然而，在物理學(xué)家的眼睛里，希格斯的發(fā)現(xiàn)被廣泛認為是冰山一角，希格斯背后還會隱藏著更大的秘密……

　　獲獎?wù)吖υ谂R門一腳

　　教科書中一直在用希格斯機制和希格斯粒子，這里都用了希格斯先生的名字。其實，這一機制是由1964年發(fā)表的兩篇文章獨立提出的，一篇是彼得·希格斯先生的大作（其實很短，才一頁半�。硪黄歉ダ仕魍摺ざ鞲窭蘸土_伯特·布羅特的大作，但希格斯先生明確提出存在一個物理的標(biāo)量粒子，這個粒子后來就因此被命名為希格斯粒子。

　　希格斯粒子于2012年7月4日，在位于日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心的大型質(zhì)子對撞機LHC上被發(fā)現(xiàn)，從理論的提出到實驗驗證整整用了48年的時間。雖然當(dāng)年的諾貝爾物理獎，很多人期待授予與“上帝粒子”有關(guān)的發(fā)現(xiàn)，但畢竟因為時間太短來不及而落空。

　　好在，僅僅過了一年，這個獎項眾望所歸地落在了希格斯和恩格勒的頭上。幸運的是，49年過去了，他們盡管都已是80多歲的老人，但他們都還活著。不幸的是，另一位作者，比利時物理學(xué)家羅伯特·布羅特沒能等到這一天就撒手人寰，否則，他也會是當(dāng)然的諾獎獲得者。

　　我們應(yīng)該知道的是，在這三個人之前，其實還有幾位英雄對希格斯機制的創(chuàng)立做出了不可磨滅的貢獻：

　　南部是第一個把超導(dǎo)中的自發(fā)破缺（希格斯機制的出發(fā)點）引入到基本粒子物理領(lǐng)域的人，時間大約是1960年，但是他沒有把自發(fā)破缺同規(guī)范理論相結(jié)合（只有把自發(fā)破缺同規(guī)范理論相結(jié)合才能導(dǎo)出希格斯機制）；

　　哥德斯通受南部的啟發(fā)首次引入標(biāo)量場（1961年），證明標(biāo)量場的勢可以導(dǎo)致自發(fā)破缺并產(chǎn)生無質(zhì)量的標(biāo)量粒子（后來稱為哥德斯通粒子），但是哥德斯通也沒有進一步把標(biāo)量場的自發(fā)破缺同規(guī)范理論相結(jié)合；

　　朱利安·施溫格于1962年想到了有質(zhì)量的矢量粒子可能與無質(zhì)量的標(biāo)量粒子有關(guān)，但沒有去證明；

　　安德森受施溫格的啟發(fā)，于1963年在非相對論情況下發(fā)現(xiàn)無質(zhì)量的標(biāo)量粒子可以被無質(zhì)量的規(guī)范玻色子吃掉而導(dǎo)致有質(zhì)量的規(guī)范玻色子，這其實就是希格斯機制，但是它是非相對論的。

　　最后，在安德森的工作基礎(chǔ)上，希格斯、恩格勒和布羅特建立了相對論情況下的希格斯機制。

　　由此可知，諾貝爾獎獲得者也是站立在眾人的肩膀上才取得成功的，那些堆積如山的“垃圾文章”是他們通向成功的階梯。這就像是足球比賽，沒有隊友的配合和協(xié)助，就不會有臨門一腳的成功者。

　　實驗物理學(xué)家原本功不可沒

　　理論物理學(xué)家的研究固然重要，然而，如果沒有實驗物理學(xué)家?guī)资甑钠D苦工作，就不可能證實希格斯粒子的存在，理論物理學(xué)家獲諾獎也就無從談起。

　　希格斯粒子雖然在宇宙創(chuàng)生之初甚是活躍并大顯身手，但是它極其短命，在完成使命之后馬上就涅槃了，目前的宇宙之中已經(jīng)沒有了它的蹤跡。要想看到它就必須使它重生，而重生它的搖籃就是高能對撞機。

　　在對撞機上尋找希格斯粒子的工作始于上世紀90年代的LEP對撞機，LEP因能量低那么一點而與希格斯粒子擦肩而過；接下來前赴后繼的是美國費米實驗室的Tevatron對撞機，它對希格斯粒子進行了長達二十年的尋找，模模糊糊看到了希格斯的形象，但霧里看花終隔一層。

　　美國人曾經(jīng)于上世紀末建造超級超導(dǎo)對撞機SSC（其能量比LHC還要高3倍）以尋找希格斯粒子，后來由于SSC花費驚人而被美國國會終止。

　　發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的歐洲核子研究中心的LHC實驗，是人類歷史上投資最大的科學(xué)研究機器（造價高達100億美元），其中兩個實驗組CMS和Atlas分別獨立尋找希格斯粒子，每個實驗組有3000多名來自全世界幾十個國家?guī)装偎髮W(xué)的科學(xué)家（中國的實驗科學(xué)家也參與其中），這數(shù)千名頂尖的實驗科學(xué)家費盡心力尋找到了希格斯粒子。他們尋找希格斯粒子的過程艱難曲折：LHC對撞機把質(zhì)子加速至極高能量（其速度接近光速），然后讓質(zhì)子迎頭相撞，質(zhì)子撞碎毀滅而成為一團能量，從這團能量中重生出宇宙大爆炸之初的各種粒子，其中就包含希格斯粒子，但是由于希格斯粒子所占的個數(shù)比例極小（小于百億分之一），實驗學(xué)家要從灰燼中篩出希格斯粒子就像沙漠淘金一樣艱難。他們終于成功了，在極大的可信度上確立了這個發(fā)現(xiàn)（不對的可能性小于千萬分之一）。

　　但可惜的是，這些做實驗的人員沒有得到諾貝爾獎。諾貝爾獎鼓勵的是個人英雄主義，只獎個人不獎團體，在數(shù)千參與尋找希格斯粒子的實驗學(xué)家中很難找到幾個主要貢獻者（同樣的故事發(fā)生在上世紀末的美國費米實驗室，當(dāng)時找到頂夸克的兩個實驗組CDF和D0也是規(guī)模十分龐大的群體，很難找到主要貢獻者，至今沒有獲得諾貝爾獎）。

　　揭開的只是冰山一角

　　希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)完善了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，至此這一模型所預(yù)言的所有粒子全部被實驗發(fā)現(xiàn)了。這一發(fā)現(xiàn)表明質(zhì)量起源的理論（希格斯機制）是正確的，為理論的進一步發(fā)展指明了方向。在質(zhì)量起源方面一直有兩類理論，一類是預(yù)言存在希格斯粒子的希格斯機制，另一類是預(yù)言不存在希格斯粒子的理論，希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)表明自然界選擇了第一類理論。

　　希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)并不意味著高能物理的終結(jié)，反而可能預(yù)示著高能物理又一黃金時代的到來。希格斯的發(fā)現(xiàn)廣泛被認為是冰山一角，希格斯背后還會隱藏著天大的秘密，原因是希格斯在標(biāo)準(zhǔn)模型中存在得很不自然，這種不自然的程度就像是地球上的人用一桿槍去瞄準(zhǔn)月球上的一只兔子，或者在光滑的鏡面上豎起一根很尖的針，希格斯粒子只有在新物理（特別是超對稱理論）的天堂內(nèi)才存在得自然、安逸、和諧。

　　如果希格斯后面存在新物理超對稱，那么超對稱除了預(yù)言大量的超粒子之外，還預(yù)言希格斯粒子有好幾個兄弟姐妹，他們一起組成一個快樂和諧的希格斯小家庭，這個家庭的成員在宇宙創(chuàng)生之初是那么的活靈活現(xiàn)，后來在大千世界形成時它們都死亡殆盡了。那一大群超粒子也是一樣的紛紛夭折，只剩下一個最輕的超粒子至今逍遙于宇宙，它組成了宇宙中的暗物質(zhì)，穩(wěn)定著宇宙的架構(gòu)。

　　LHC對撞機下一步的目標(biāo)就是尋找超對稱預(yù)言的這些新粒子。同時，新的對撞機也在世界范圍內(nèi)進行籌劃（日本甚是積極，已經(jīng)把下一代對撞機的地址初步選擇在其東北地區(qū)），我國也在積極推動一個中國希格斯工廠和超級質(zhì)子對撞機，相信這也是實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興中國夢的一部分！

　　(作者為中國科學(xué)院理論物理研究所研究員)

　　延伸閱讀

　　希格斯機制和希格斯粒子

　　希格斯機制其實就是質(zhì)量產(chǎn)生機制，如果沒有這一機制，物質(zhì)世界的基本組分（電子、夸克）都沒有質(zhì)量，那樣的話，大千世界就是沒有質(zhì)量的縹緲之物而處于原始的混沌之中。

　　137億年前宇宙創(chuàng)生之初的那個火球內(nèi)的所有粒子都處在希格斯場內(nèi)，它們受到希格斯場的粘滯作用從而得到質(zhì)量。傳遞弱作用的規(guī)范玻色子也是這樣得到質(zhì)量的——無質(zhì)量的規(guī)范玻色子與希格斯場相遇，它吃掉了無質(zhì)量的希格斯場分量（無質(zhì)量的希格斯場叫作哥德斯通粒子）從而得到質(zhì)量，這時還剩下一個有質(zhì)量的希格斯場分量，這個分量叫作希格斯粒子。