探索质量的起源与奥秘

有了质量才产生引力，才会有元素、生命、恒星、行星、星系以及整个宇宙；而实验物理学家却一直未能在实验中捕捉到它，这一难以捕捉的物质成为科学领域里众多的未解之谜中迫切希望得到解答的问题之一。

谜一样的质量来源

我们知道，物体是由分子、原子构成的，原子是由质子、中子组成的原子核以及绕核旋转的电子构成的，质子和中子都是由夸克和胶子组成的，而夸克、胶子和电子等至今为止没有发现有更深层次的结构，因此被称为基本粒子。现代物理学的基本内容，就是研究这些基本粒子以及它们之间的相互作用。

目前有关基本粒子的理论中，标准模型（Standard Model）理论是最成功的。这一理论的优点在于它所依赖的规范场（就好像我们熟知的电磁场一样）可以描述所有基本粒子之间的强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用，然而由于其禁止基本粒子拥有质量，所以也有不可避免的缺憾。20世纪60年代初期，不少尚未证实的基本粒子逐渐被发现，很多关于基本粒子的理论也相继被提出，例如已被广泛接受的统一场论等，但依然无法解释为什么基本粒子会具有质量这一更深层的问题。

后来，物理学者研究出一种机制，能够利用对称性破缺来赋予基本粒子质量，同时又不会抵触到规范场理论。在这些物理学家中，最简单、最被认可的一种理论论述，就是由英国物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）提出的“Higgs机制”（希格斯机制）：假定宇宙遍布着一种特别的、能够与某些基本粒子相互作用的量子场，这种相互作用的一个必然副产品就是希格斯粒子。根据包含了希格斯机制的标准模型，希格斯粒子是质量之源，其他粒子在希格斯粒子构成的“海洋”中游弋，受它的作用产生惯性并最终有了质量。

如果实验证实希格斯粒子存在，将使标准模型得到完善；反之，如果不存在，则意味着有超出标准模型的新物理存在，那么人类对宇宙的理解将随之发生重大变化。鉴于基本粒子有了质量才产生引力，才会有元素、生命、恒星、行星、星系以及整个宇宙，而实验物理学家却又一直未能在实验上捕捉到它——1998年，诺贝尔物理学奖获得者利昂·莱德曼（Leon Lederman）在他的科普著作“The God Particle：if the Universe iS the Answer，What is the Question？”中，将其称为“goddamn particle”（“该死的粒子”），后来在出版商的劝说下，改成“god particle”（“上帝粒子”）——成为众多的科学未解之谜中人类迫切希望解答的问题之一。

模拟宇宙大爆炸的巨型实验

根据宇宙大爆炸理论，我们的宇宙源于130多亿年前的一次大爆炸，大爆炸刚发生时，各种基本粒子以及它们的反粒子同时产生。希格斯粒子也在这时产生，并在赋予其他各种基本粒子质量后，马上衰变；而其他基本粒子则继续凝聚成物质，通过长时间的演化形成宇宙中的星系。

为了寻找希格斯粒子，只能在实验中利用大型对撞机器，模拟宇宙大爆炸时刻：通过对两束高能粒子进行加速、对撞、“制造”出希格斯粒子。从上世纪60年代至今，实验上未能完全找到希格斯粒子，但这并不代表它不存在，最有可能的是它太重了，无法在实验中产生。这一实验过程，经历了以下几个重要阶段。

20世纪90年代，世界上能量最高的正负电子对撞机（Large Electron-Positron collider，简称LEP）建于欧洲核子研究中心（CERN）。LEP周长27公里，总对撞能量为200GeV，设有ALEPH、DELPHI、L3和OPAL四个大型实验设施。其中，在ALEPH实验的国际合作中，中国方面承担了部分缪子探测器的建造任务；L3实验中，中方参加了部分强子量能器和亮度探测器的建造，提供了电磁量能器所需的全部晶体，在物理数据处理以及方面，做出了许多实质性的贡献。

2001年，LEP决定拆除原有的全部磁铁和设备，在隧道中安装超导磁铁，建造实现高能量的质子一质子的对撞，开展模拟宇宙大爆炸的实验，即大型强子对撞机（Large Hadron Collider，简称LHC）实验。LHC总资30多亿瑞士法郎，设计能量达14万亿电子伏（14TeV），在四个对撞点上安装了ATLAS、ALICE、CMS和LHCB四个探测器，均有中国资金和科学家的参与。其中两个主要实验ATLAS（超环面仪器）和CMS（紧凑缪子线圈）的主要目标之一，就是寻找希格斯粒子。在LHC实验中，每1000多次的质子对撞才可能产生一次希格斯粒子，就好比在一大堆沙子中，有一颗是金沙，需要找出来；不止如此，由于这种粒子一旦产生，十亿分之一秒后就会衰变成光子和强子等其他粒子，所以科学家只能通过观测（测量这些稳定粒子），反推它们是不是希格斯粒子产生后又衰变出来的。

在粒子物理学史中，2012年注定是一个里程碑。2012年7月4日，经过自2010年开始的为期两年多的对撞数据收集，两个在大型强子对撞机上从事独立探测器实验组，ATLAS和CMS宣布，以5倍西格玛（在统计学上为“真”的比率是99.99994%）的确定性水平，发现了一个质量大约为125GeV的新粒子，至于这是不是真的就是希格斯粒子，还需要更多的研究和实验验证（通过它的物理属性测量）来确定。

中国科学家在LHC探测器的研制和实验数据的物理分析中，都做出了重要的贡献。作为CMS中国组高能所的一员，笔者有幸直接参与到了新粒子的发现过程，深深体会到合作的重要性。科学研究是一个非常艰辛的过程，尤其是从LHC对撞产生的海量数据中筛选我们所需要的数据，不是一两个人一两天就能完成的，需要汇集很多国家的财力与很多研究工作者的智慧：从探测器的建造，到对撞获取数据，以及数据的初步筛选和存储等一系列连续的分析，自始至终都需要相互合作；对于数据分析的每一个物理细节，更需要好几家研究单位进行相互的竞争与检查以确保结果的正确性。经常出现的情况是，众多的科学家们聚集在一起，为了某个分析细节和结果，争到面红耳赤，其中恰恰体现出科学实验的严谨性。

理论解释的边界与日常应用

科学研究带动的不仅仅是专业领域的突破，更重要的是推动了其他技术的发展与更新。比如在CERN工作的伯纳斯·李和罗伯特-卡雷欧于1980年构建的“查询万有”，就是我们日常使用的万维网的雏形。LHC海量的数据处理和存储，促进了计算机技术的发展，比如网格计算和云计算技术等。

经常会有人问，“上帝粒子”的研究有什么用？跟我们日常生活有什么关系？我只能说，没有任何关系，而且跟“上帝”也没有直接的关系，虽然它被叫作“上帝粒子”。对一般人来说，没有“上帝粒子”，依然可以很好地生活着；甚至科研工作者也不用做这么多辛苦的研究……但是，人类认知的欲望促使我们不得不从事这个探索，何况它对我们对自然的理解很重要。所以，这仅仅是一项基础科学研究！就像当初原子核次级结构的探索，并不是直接奔着核能去的，更不可能是为了发展核武器。如果某天你可以遨游宇宙，并不是因为你创造了多么先进的机器，而是因为你控制了Higgs场，可以轻易逃离地球的重力和超越光速……或许，这也仅仅是科幻小说！

这次新粒子的发现，并不意味着粒子物理学研究的终端。虽然这次发现新粒子的一些特征，比如产率（出现几率）、衰变模型等与之前预言的希格斯粒子相吻合，但目前的统计数据还是太少，还不足以确定这个新粒子的其他各种特性。要最终确认希格斯粒子的存在，仍然需要更多的实验数据积累。可能还需要再建一个高能量的直线正负电子对撞机，才能更仔细、准确地验证这个结果。不过要建这个对撞机，耗资巨大，相当于数百亿人民币，需要国际合作才能实现。目前，国际直线对撞机（International Linear Coliider，简称ILC）的预研工作，正在全球范围内开展。可以预知的是，中国抓住了LH C的机遇培育了一大批熟悉硬件技术和物理分析方法的新一代高能物理研究工作者，他们在未来的ILC国际合作中将承担重要的角色和发挥主要的作用，这对中国科学的发展是十分重要的。

如果这次实验发现的确实是希格斯粒子，也并不意味着粒子物理学将画上圆满句号。物理学标准模型不是万能的，像暗物质、暗能量、物质与反物质不对称等问题，它都不能解释。而根据现有理论，我们的宇宙组成中73%是暗能量，23%是暗物质，只有4%是目前理论所能解释的物质。此外，作为目前人们认识领域中的基本粒子，夸克和轻子是否还由更小的粒子组成、能否组成不同于质子、中子的其它形态，也还需要进一步的研究。同时，并不能完全排除发现的是超对称希格斯粒子或其他粒子。如果是这样的话，可能确实会给物理学理论体系造成不亚于“两朵乌云”（指19世纪末催生量子力学和相对论的经典物理学领域的迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射实验）之类的重大冲击，或许会像媒体说的那样“大厦将倾”：标准模型理论显出它固有的边界与局限性，将需要更加完善的理论模型。