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希格斯粒子發(fā)現(xiàn)10周年：物理史上與眾不同的一天

2022/07/05
導讀
后希格斯時代的歡呼
    7.4
知識分子The Intellectual

知識分子 X Physics World，帶你走進英國媒體視角下的科學議題。


  導  讀

在這篇文章中，曾在歐洲核子研究中心做過十多年科學傳播的Achintya Rao，回憶了10年前歐洲核子研究中心（CERN）宣布發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的那一重大日子。


撰文｜Achintya Rao

翻譯｜趙金瑜

審校｜阮曼奇責編｜陳曉雪


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圖1
 重大的日子：2012年7月4日，法比奧拉·吉亞諾蒂（前排，身穿紅色上衣）在擁擠的 CERN 禮堂中引領掌聲。
2012年7月4日午夜12點一刻，我正在急急忙忙地趕往當晚從瑞士日內瓦的粒子物理實驗室歐洲核子研究中心（CERN）回家的最后一班車。過去的幾個小時，我剛剛幫助完成了一篇重要文章的收尾工作（它最終被翻譯成20種語言），它很快就會出現(xiàn)在緊湊型μ子線圈（CMS）實驗室的網站。CMS是大型強子對撞機（LHC）的兩個通用粒子探測器之一。

當我趕往車站時，我注意到CERN的主禮堂外已經開始排起了長隊。一些有進取心的學生在入口處睡著了，他們渴望在當天上午9點開始的研討會上獲得珍稀的座位。外面的夜色晴朗而安靜，但幾個小時后，實驗室就會變得熱鬧非凡。因為，今天是CMS和ATLAS（注：超環(huán)面儀，LHC探測器之一）合作宣布發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的日子。


1

一份提前到來的圣誕禮物？
人們在幾個月前已經開始期待了，而且并不僅限于科學界。

2011年12月13日，在CERN的年終特別研討會上，ATLAS發(fā)言人法比奧拉·吉亞諾蒂和CMS發(fā)言人奎多·托內利介紹了每個合作機構尋找希格斯玻色子的最新結果。多年來，CERN的研討會一直得到公開廣播，以服務于更廣泛的高能物理學家群體，包括實驗者和理論家。盡管這是一場技術性很強的研討會，但它還是吸引了來自世界各地的數以萬計的觀眾，包括許多記者。事實上，CERN的IT團隊被迫為其流媒體服務分配了額外的資源，既是為了研討會，也是為了準備任何潛在的發(fā)現(xiàn)可能在某一天引起的關注。

到2011年底，LHC已經為ATLAS和CMS提供了足夠的對撞能量（7 TeV），使得合作機構能夠在預計可以發(fā)現(xiàn)粒子的質量范圍內進行搜尋。吉亞諾蒂一邊說著，一邊展示著ATLAS在尋找希格斯玻色子時排除的區(qū)域，掩飾不住自己的興奮。然而，那些未經排除的區(qū)域仍然令人好奇。

在125 GeV附近出現(xiàn)了一個輕微的超出，其顯著性為2.8σ——明顯低于宣布新發(fā)現(xiàn)所需的5σ，但足以讓在場的每個人看到希望，即粒子物理標準模型的最后一塊拼圖已經在我們的掌握之中。在隨后托內利的展示中，CMS的數據顯示了類似的超出。盡管兩個合作機構都告誡說，需要更多的數據來確定這種超出是否的確與來自真實粒子的信號有關，而不是僅僅是背景漲落的結果，但人們覺得圣誕節(jié)似乎提前到來了。

然而，更多的數據并沒有立即出現(xiàn)。LHC是一個非常復雜的機器，需要定期維護。在12月的研討會上，這個龐然大物正處于一年一度的 “冬眠期”，只有到了春天才會 “醒來”。

2012年2月，CERN宣布，該加速器當年將以8 TeV的能量碰撞質子，每束質子增加0.5 TeV；它還會在每秒產生更多的碰撞。ATLAS和CMS都在4月5日開始接收碰撞，當時LHC打破了自己的最高能量粒子對撞的記錄。但是，這些新數據將要揭示的東西還會繼續(xù)隱藏一段時間。


2

處于保密狀態(tài)的雙盲數據
在粒子加速器上尋找新的粒子涉及一些偵查工作。當兩個質子在LHC中對撞時，它們可能會產生許多重粒子中的任何一種，包括以前未見過的粒子，如希格斯玻色子。但由于這些粒子不穩(wěn)定，它們幾乎在瞬間轉變或 “衰變” 為更輕、更穩(wěn)定的粒子，如輕子（電子或μ子）和強子（如中子）。這些衰變粒子以接近光速的速度穿過ATLAS/CMS探測器，在各個子探測器的敏感單元留下痕跡和能量沉積。

通過匯總數十億次碰撞事件在探測器中留下的粒子軌跡和能量的最終狀態(tài)，物理學家可以反過來確定碰撞中產生的原始粒子是什么。通常使用衰變產物的質量分布圖來檢查數據，數據中的顯著凸起對應的是特定粒子的存在。

圖2 關鍵事件：來自 CMS（上）和 ATLAS（下）的碰撞數據顯示了與希格斯玻色子產生相關的特征。


在搜索希格斯玻色子的情況下，光子對和四個輕子的質量分布圖至關重要。也就是說，搜索的重點是希格斯玻色子自行產生并轉化為兩個光子的情況；或者希格斯玻色子衰變?yōu)橐粚玻色子，后者轉變?yōu)槌蓪Φ妮p子，最終產生四個輕子。在2011年12月的研討會上，ATLAS和CMS都報告了兩個數據集的輕微超出，因此在分析2012年記錄的數據時采取了一定的預防措施。

為了防止?jié)撘庾R的偏見產生優(yōu)化分析，以增強2011年看到的信號，兩個合作機構做了一個 “盲” 分析。之前被排除的大量區(qū)域的數據被用來優(yōu)化整體數據的分析，而沒有被排除的區(qū)域則留在隱喻性的盲區(qū)后面。由于希格斯玻色子的存在已經在大質量范圍內被排除了，所以使用這些數據來減少噪音和微調數據處理是沒有風險的。在科學家們對其分析方法感到滿意之前，不會對感興趣的質量區(qū)域進行分析。然后，作為 “揭盲” 過程的一部分，分析將擴展到整個數據集。

加速器方面的工作進展迅速。幾個星期內，LHC提供的數據比它在2011年全年的數據還要多。6月15日，就在8 TeV數據首次送到的兩個多月后，實驗物理學家楊明明站在她的CMS同事面前，準備介紹揭盲“雙光子”數據的結果。她說：“有了這個（數據），我的心臟跳得更快了”，她讓我們聚集在一起，為接下來的15分鐘做好準備。

這是 “希格斯到雙光子” 工作小組以外的人第一次看到這些結果。楊展示的結果顯示，從2011年和2012年的數據組合來看，雙光子通道的超出已經突破了4σ。不到兩周后，6月28日，現(xiàn)任CMS部門負責人的安德烈·戴維展示了同一個希格斯雙光子通道的結果，但其中補充了在此期間收集的新數據。

當他站在CERN的主禮堂里參加CMS的內部演講時，戴維指出，隨著額外數據的補充，CMS所看到的125 GeV的超出現(xiàn)在具有4.1σ的顯著性。完全揭盲的16小時后，他就在座無虛席的禮堂里發(fā)表了演講。盡管我們CMS這邊的人對ATLAS探測到的究竟是什么仍然一無所知，但我們很快就會知道他們的數據顯示了什么。


3

舉行發(fā)布會的房間
在2012年7月4日那個歷史性的日子，睡了沒幾個小時后，我在早上6點15分乘坐電車回到了CERN。當我沿著走廊走向主禮堂時，我驚訝地看到門口排起了蜿蜒的隊伍。我在前一天晚上看到的那些進取的學生仍然排在前面。長隊從禮堂入口處蜿蜒到樓梯平臺，然后沿著樓梯走下；經過郵局、銀行和小賣部，進入CERN的1號餐廳；它一直延伸到指向阿爾卑斯山側翼的咖啡機，然后繼續(xù)前進，排出了餐廳。

由于禮堂前面的黃金位置已經預留給了高級研究人員和政要，排隊的人多到可以把空位填滿好幾次。盡管知道他們沒有辦法進去，但排隊的人臉上都掛著燦爛的笑容。最終，只有少數人能夠進入禮堂，聚集的人群不得不分散到實驗室的幾個會議室，那里將直播主禮堂的會議活動。

多年來，CERN的主禮堂一直是許多著名講座和科學聲明的舉辦地。但是，它將見證粒子物理學史上從未有過的事情：來自世界各地的數十萬人調到同一個頻道，觀看一場技術向的科學研討會。人們原本打算在兩年一度的國際高能物理會議（ICHEP）上公布ATLAS和CMS的最新結果，該會議當年在澳大利亞墨爾本舉行。但CERN希望在 “家” 宣布這一發(fā)現(xiàn)，這導致了有史以來第一次在不同的大陸舉行粒子物理學會議。盡管研討會在瑞士日內瓦舉行，但名義上是ICHEP會議的一部分，參會者在兩個會場之間得到連接。

圖3 發(fā)布會現(xiàn)場：2012年7月4日，歐洲核子研究中心宣布這一消息后，本文作者Achintya Rao（右，身穿綠色T恤）與同事一起慶祝。


CERN總干事羅爾夫·迪特爾·霍耶爾對兩個地點的參會者以及觀看網絡直播的人表示歡迎。與2011年12月研討會的順序相反，這次CMS首先發(fā)言，由在此期間接任CMS發(fā)言人的喬·因坎德拉代表合作機構發(fā)表講話。演講漸漸進入高潮，當因坎德拉轉向顯示超出的質量和顯著性的幻燈片時，觀眾甚至在他發(fā)言結束前就爆發(fā)出了掌聲。至少，這些合作看到了一種新粒子。

這提示我們可以將文章公開了。我和我的同事們坐在主禮堂旁邊的理事會會議廳里，協(xié)助隨后舉行的新聞發(fā)布會。我們打開了CMS網站后臺的開關，開始在社交媒體上分享這篇文章。我們面前的大屏幕顯示，吉亞諾蒂很快開始講話，我們將注意力轉移到ATLAS的結果上。當她向我們展示ATLAS觀測的質量和顯著性時，我們的心砰砰直跳，并開始歡呼。安德烈·戴維回憶說，作為CMS的年輕專家之一，他就在觀眾席的前排?！暗谝淮慰吹狡渌麍F隊的結果，就像同時坐了好幾個過山車。我把這些點連接起來，將ATLAS的結果與我們自己的結果進行比較，并意識到，這不僅僅是統(tǒng)計上的僥幸?！?/span>


4

后希格斯時代的歡呼
接下來的事情對我來說仍然是模糊的。新聞發(fā)布會在議會廳舉行，我們幾乎無法抑制自己的興奮。研討會和新聞發(fā)布會結束時已接近午餐時間，盡管我們中的許多人聚集在餐廳，但大多數人都興奮得吃不下飯。整個下午我們都在熱切地與同事和朋友聊天，并不急于回去工作。考慮到在過去幾周里每個參與者都投入了很長時間，沒有人拒絕沉浸在慶?；顒又?。我們中的一些人帶著滿足感看著傳統(tǒng)媒體和社交網絡上的喧囂。世界已經永遠地改變了，我們現(xiàn)在處于后希格斯時代。

盡管有了這些數據，但ATLAS和CMS都對當天正式將其稱為 “希格斯玻色子” 持謹慎態(tài)度——新粒子被隱晦地描述為具有與希格斯玻色子一致的屬性。在接下來的幾個月里，兩個合作機構都測量了該粒子的各種屬性，使他們能夠證實所觀察到的對象確實是粒子物理學標準模型所預測的希格斯玻色子。

2013年10月，在2012年的重大宣布后約15個月，CERN開始出現(xiàn)另一種不同的期待。關于當年諾貝爾物理學獎的傳言已經開始流傳。在沒有任何保證的情況下，我們還是準備了慶祝活動。我們中的一些人決定在CERN的40號樓CMS的一半屏幕上直播瑞典皇家科學院的公告，該屏幕通常顯示LHC和CMS探測器的狀態(tài)。

來自CMS和ATLAS的人群開始聚集在屏幕前的自助餐廳旁邊，當宣布弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯將成為最新的諾貝爾獎獲得者時，整個大樓都回蕩著巨大的歡呼聲。人們舉起香檳酒杯，慶祝合作的實驗在2012年為證實1964年的理論工作所發(fā)揮的作用。

遺憾的是，CERN在此后的幾年里沒有舉行過其他類似意義的慶祝活動。高能物理前沿的海洋里沒有發(fā)現(xiàn)新的粒子島。但這并不意味著希望已經破滅。在寫這篇文章的時候，LHC即將開始另一次數據收集工作，這一次將更加接近加速器所設計的14 TeV的最大對撞能量。畢竟，在LHC的生命周期中，仍有超過95%的潛在數據量有待交付。希格斯玻色子已經成為我們探索浩瀚未知的工具箱的重要組成部分，正如大衛(wèi)所說，“我們還幾乎沒有觸及到表面?！?nbsp;

“
作者簡介
Achintya Rao是阿蘭·圖靈研究所的社區(qū)經理，也是英國布里斯托爾的自由撰稿科學作家。他曾在歐洲核子研究中心擔任過十多年的科學傳播員，最近獲得了布里斯托爾西英格蘭大學的科學傳播博士學位。
”
▲ 本文為 Physics World 專欄的第56篇文章。


原文標題為 “A day in physics like no other ”，首發(fā)于2022年7月出版的 Physics World，英國物理學會出版社授權《知識分子》翻譯。未經授權的翻譯是侵權行為，版權方將保留追究法律責任的權利。登陸 Physics World，關注日常全球科學新聞、熱點報道和評論。Physics World 幫助學界與產業(yè)界的研究人員走在世界重大科研突破與跨學科研究的前沿。
原文鏈接：
https://physicsworld.com/a/discovering-the-higgs-boson-a-day-in-physics-like-no-other/

 翻譯對照表：（上下滑動可瀏覽）

法比奧拉·吉亞諾蒂 Fabiola Gianotti

緊湊型μ子線圈  Compact Muon Solenoid

奎多·托內利 Guido Tonelli

安德烈·戴維 André David

羅爾夫·迪特爾·霍耶爾 Rolf-Dieter Heuer

喬·因坎德拉 Joe Incandela

弗朗索瓦·恩格勒 Fran?ois Englert

彼得·希格斯 Peter Higgs

制版編輯 | 姜絲鴨


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