捕捉上帝粒子的游戏

世界是由什么构成的。

这个文明诞生之初，就伴伴随着人类的疑问直到最近两个世纪，才逐渐有了准确的答案

两百多年前，化学家发现世界上的一切最终都可以分解成几十种不同的化学元素20世纪30年代，物理学家进一步发现所有元素都是由原子构成的

在这个尺度上，每个原子都被解构为原子中心的一个原子核和原子核外的几个带负电荷的电子原子核进一步分解成不同数量的带正电的质子和电中性的中子，它们的质量占原子质量的绝大部分每克物质包含近1000亿个质子或中子即便如此，质子和中子仍然不是人类微观探索的终点

在微米和纳米测量的微观世界被纳入人类伟大发现的体系后，粒子物理这一新学科开始独立于核物理而存在，并建立了新的物理系统理论——粒子物理的标准模型。

当衡量世界的尺度发生变化时，所有所谓的自然事物都再次受到质疑就像数学家对1+1=2的持久影响一样，在物理世界中，质量不再是物质无可争辩的基本属性发现的物理规律表明，能量可以通过某种交易机制变成质量——但最初的质量从何而来

粒子物理的理论模型总是希望解决质量的起源上世纪中叶，粒子物理学理论认为量子场激发的粒子应该没有质量像光子一样，没有质量的粒子应该总是以光速传播，可以传播到无限远可是在现实中，科学家从未观测到这样的粒子

1964年，弗朗索瓦·恩格勒，罗伯特·布罗特和彼得·希格斯分别发表了两篇文章，指出如果存在一个无处不在的场，从现在开始称之为希格斯场，那么粒子的作用会受到影响，然后通过与希格斯场的相互作用获得质量这种机制被称为希格斯机制

在希格斯机制下，质量的起源不再是问题，但也带来了新的问题，那就是作为希格斯场存在证据之一的希格斯粒子在哪里。

在我们找到它之前，我们需要明白，希格斯粒子到底是什么伦敦大学学院粒子物理学家大卫·米勒有一段精彩的论述

他描述了一个在鸡尾酒会上每个人都在畅所欲言的情景此时的每个人都是分布在空间的希格斯场此时此刻，如果一个无人问津的无名小辈走进接待处，他可以在接待处自由穿梭，随意改变行动方向——就像一个无质量的粒子但如果一个名人在这个时候走进房间，他会很快被酒会上的人注意到，并被包围，所以他只能慢慢移动，很难改变方向——就像一个质量粒子

可是，如果没有人进入房间，但有人在门口小声说了一个谣言，谣言会在房间里迅速传播，所以一小群人聚集在一起听谣言而且，虽然大家听到谣言后都会回到自由交谈的状态，但是这个谣言会伴随着一小群改变的人继续移动因此，正如聚集的人群可以给爱因斯坦质量一样，这一小群人也给自己质量这时，这一小撮人就是希格斯粒子

就像上帝创造了光一样，希格斯机制赋予了万物以质量，希格斯粒子就像希格斯场引起的涟漪，可以证明希格斯机制的存在因此，希格斯粒子也被称为上帝粒子

当史蒂芬·温伯格和其他人在希格斯机制理论提出三年后试图建立粒子物理的标准模型时，他们意识到希格斯粒子就像标准模型的钥匙，释放了被杨—米尔斯方程中的盒子锁定的质量自此，希格斯粒子和希格斯机制成为粒子物理学标准模型的第三块基石——就像Young—Mills方程和夸克模型一样

标准模型的三大基石组装完成后，谢尔登·格拉肖，阿卜杜勒·萨拉姆，史蒂芬·温伯格等人在统一电磁力和弱核力的尝试中，逐渐融合了三大基石，绘制出了粒子物理标准模型的基本蓝图高能物理领域对希格斯粒子的追逐开始了，一场持续了半个多世纪的猫捉老鼠的游戏开始了

希格斯粒子出现

在科幻小说《三体》中，三体人的质子技术的任务之一就是锁定地球的科学进步，为400年后三体人世界占领地球清除潜在障碍为了达到这个目的，质子基本上只做一件事，就是在人类建造的大型粒子对撞机中随机干扰高能粒子的运动，以至于这个装置的所有实验结果都是无规律的

如同现实科幻小说的翻转——大型粒子对撞机是粒子物理学家寻找新粒子的终极武器科学家加速粒子，然后将两束反向运动的粒子对准一点进行碰撞在碰撞的瞬间，粒子的动能全部释放，部分能量可以通过与质量的交易机制转化为质量同时，新的粒子诞生了

在此之前，人们试图从宇宙射线中捕捉希格斯粒子早些年，人们从宇宙射线中发现了正电子，μ子，介子等粒子，但到目前为止，人们能津津乐道的粒子仍然是这些自20世纪50年代以来，宇宙射线一直没有新的发现

上世纪六七十年代，法国，美国，苏联，德国等国先后建造了十几台对撞机这些对撞机大小不一，周长从几米到两公里不等，覆盖许多不同的能量区间，可以分别研究不同的具体课题借助对撞机这一研究工具，粒子物理进入了一轮爆发式发展，先后发现了粲夸克，底夸克，顶夸克，W玻色子和Z玻色子

70年代末，建造周长27公里的大型电子对撞机的计划诞生了经过几年的设计和论证，CERN终于在1981年5月22日批准了这个宏大的项目大型正负电子对撞机LEP经过5年的建设和安装，于1989年正式开工，其27公里的周长使其成为人类历史上最大的科研仪器

LEP在建的时候，美国粒子物理学家完成了另一个更宏伟的对撞机的设计，即周长80多公里的超导超级对撞机1990年，它开始在美国德克萨斯州破土动工可是，命运多舛的SSC在经历了设计变更，冷战对抗结束，总统更迭，国际空间站项目竞争等内外变故后，越来越坎坷，最终于1993年被叫停

可是，在20世纪的最后十年，美国在1986年底成功运行了一台有望找到希格斯粒子的对撞机——美国费米国家实验室一台6.3公里长的质子对撞机万亿电子伏加速器以前所未有的碰撞能量运行Tevatron创下的1.96万亿电子伏的能量记录持续了20多年，直到被欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机打破

可是，无论是LEP还是Tevatron，由于能量仍然不够高，收集的数据内容过于复杂，这两台在粒子物理的其他领域发挥了重要作用的对撞机都未能找到希格斯粒子。

1994年，美国对撞机的竞争对手SSC被取消后，CERN成员投票通过了LHC的建设计划，在新世纪第一个十年完成了欧洲大型强子对撞机的建设和调试出于这个原因，LEP也为LHC让路，后者在2001年被拆除，让后者使用其隧道

LHC主要进行四个大规模实验，包括ATLAS，CMS，ALICE和LHCb为此，它占据了一条27公里长的隧道，建造了几个逐步加速的加速器环加速器环占据了湖泊和城市的表面，碰撞能量达到了惊人的14万亿电子伏特质子在加速器中获得的能量可达自身质量的近万倍，在27公里的加速器环中以每秒11000次的频率飞行，速度为光速的99.99%每秒可发生多达十亿次碰撞，质子间剧烈碰撞产生的瞬时温度可与BIGBANG后不久的状态相比

2009年底，LHC完成了第一次碰撞，并以预期的速度和效率收集了大量的粒子碰撞数据日前，在CERN主报告厅举行了一场特别的讲座半个多世纪前预言希格斯粒子的彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒也被邀请到现场

会上，在LHC上进行的两项实验宣布，他们发现了类似希格斯粒子的信号因为LHC的数据量太大，他们认为误判的可能性只有几百万分之一

报告会上，两个实验的科学家分别展示了他们的最新数据当最终结果公布时，观众们不禁在台下欢呼起来

经过近半个世纪的努力，人类终于找到了这种与质量起源有关的粒子，填补了粒子物理学标准模型的最后一个谜题《科学》杂志将希格斯粒子的发现评为年度最重要的科学发现

击中更多的上帝粒子

希格斯粒子的发现被认为是自原子结构被揭示以来人类对宇宙认识的重大突破，开启了粒子物理学的新时代但另一方面，物理学家也非常清楚，目前的标准模型是不完美的，很多实验观测与标准模型的预测相冲突因此，希格斯粒子的精确研究成为粒子物理学中一个非常明确的要完成的目标，工具就是正电子对撞机

这台对撞机不同于LHC和SSC后者依靠超高的能量和复杂的物理过程产生大量不确定的碰撞产物，再由科学家筛选研究，所以上述研究课题可以分散，而正负电子对撞机则依靠适当的碰撞能量运行，产生大量相对干净的靶粒子，给科学家更清晰的事件信号，因此被视为某一类靶粒子的粒子工厂

2012年，在科学家在LHC上发现希格斯粒子并确定产生希格斯粒子所需的能量后不久，来自世界各地的科学家团队提出了可以作为希格斯粒子工厂的正电子对撞机的建造方案目前国际上有三个基于正负电子对撞的希格斯工厂方案，分别是日本的国际直线对撞机，中国的高能环型正负电子对撞机，欧洲的未来环型对撞机

ILC是一个长度为30公里的直线加速器它与正负电子碰撞，质心能量可达500 GeV或更高可以作为希格斯工厂，或者在更高的能量下研究希格斯自耦合尽管ILC造价昂贵，建设过程也存在风险，但考虑到ILC极其重要的科学意义，程建国有望成为粒子物理领域的新霸主

欧洲的CERN，美国的费米实验室和日本的KEK高能加速器研究所都对建立ILC表现出极大的兴趣经过多年的预研和竞争，国际高能物理界终于达成共识，支持日本建设ILC项目2021年，日本成立了ILC项目开发中心，预计未来3—4年将建立前期实验室

在发现希格斯粒子两个月后，中国开始提出在中国建造下一代环形正负电子对撞机CEPC的想法它的目标是精确测量希格斯粒子的性质，探索标准模型背后更基本的物理规律具体来说，将建造一个周长约50~100公里，能量为240 GeV的环形正电子对撞机，作为希格斯工厂条件成熟后，它将在同一隧道内改造成能量为50~100 TeV的超级质子对撞机，能量将比正在运行的LHC高6倍左右

与此同时，围绕这台可能耗资数千亿人民币的科学仪器，中国科学界展开了一场前所未有的争论2016年9月，物理学家杨振宁写了一篇文章《当今中国不宜建造超大型对撞机》反驳数学家丘成桐，其巨大的影响力直接导致了社交平台上对这一讨论的关注于是，科学家，媒体和普通网民开始参与到这场原本在科学界的讨论中

现在，回顾这次辩论，我们可以看到，整个讨论的角度涵盖了从基础科学的发展，科学设备之间的预算平衡，到民生的需要中国的对撞机虽然几经波折，但设计仍在慢慢起步2018年11月，CEPC研究团队正式发布了《加速器，物理和探测器》两卷本概念设计报告，该报告由来自24个国家222个研究机构的1143名研究人员签名，出版了930多页2022年3月，中国科学院高能物理研究所所长王在接受采访时表示，的前期研究将在两三年内完成

至于CERN的FCC，设计是2019年发布的一年后，欧洲粒子物理战略规划明确将正负电子对撞机希格斯工厂列为下一代高能物理加速器设施，并以最高优先级进行布局和投入大规模技术研发

可是，与此同时，CERN仍在运行LHC，并计划在未来15至20年内多次升级LHC在全球范围内，在所谓的先进正电子对撞机还长期处于设计阶段的情况下，LHC必然会长期占据最先进大型对撞机的称号

对撞机是高能物理领域中一个决定性的科学装置如果以诺贝尔奖为标准，粒子物理90%以上的重大发现都依赖于加速器由于LHC需要频繁运行和升级以满足实验需要，LHC的每一次关机和重启都成为高能物理领域的大事件

LHC第一次长期停运发生在2013年2月13日，经过两年的运行，维护和升级，于2014年6月重新启动这次升级涉及LHC的很多方面:它可以实现14 TeV的碰撞，它的探测器和预加速器得到增强，它的通风系统和100公里电缆得到更换

在升级后的设备收集的大型数据集上，科学家对希格斯粒子的性质进行了更详细的研究，提高了许多其他结果的准确性首次展示了几个粒子在较高碰撞能量下的截面测量，还发现了59个新的强子

经过三年的运行，LHC于2018年12月10日开始了第二次长期关闭升级原本预计在2021年结束，但因为疫情的原因，推迟到了今年4月22日在此期间，LHC和整个欧洲粒子物理研究所加速器综合维护和升级升级后的目标是实施高亮度大型强子对撞机项目，将其亮度提高10倍，从而增加观测稀有反应的概率，提高统计边际测量

可以预见的是，粒子物理学在下一次关机之前，必将完成新一轮的飞跃那时候，希格斯粒子，上帝粒子，会是什么样子，还是个未知数

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（编辑：苏婉蓉）