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“我們的世界是由什么構(gòu)成的？”這是一個從人類文明誕生之初就一直伴隨著人類的問題，但直到最近2個世紀隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，這個問題才逐漸有了準確的答案。19世紀的化學(xué)家發(fā)現(xiàn)，世界中的萬物都可以由幾十種不同的化學(xué)元素組合而成。直到了20世紀30年代，物理學(xué)家進一步發(fā)現(xiàn)，每一種化學(xué)元素，都是由原子組成的。而每一個原子都包含了一個位于原子中心的原子核，以及若干個核外的帶負電的電子。每一個原子核則是由不同數(shù)目的帶正電的質(zhì)子以及電中性的中子構(gòu)成。
在原子中，質(zhì)子與中子的質(zhì)量占據(jù)了原子的質(zhì)量的絕大部分。而質(zhì)子與中子的質(zhì)量非常之小，以至于每一克物質(zhì)，都包含了將近一億億億個質(zhì)子或中子。
雖然質(zhì)子與中子如此之小，但它們?nèi)匀徊皇侨祟愇⒂^探索之旅的終點。20世紀60－70年代，科學(xué)家們逐漸意識到，質(zhì)子與中子仍然有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。每一個質(zhì)子或者中子都是由3個更小的次級結(jié)構(gòu)組成。預(yù)言這種次級結(jié)構(gòu)的科學(xué)家莫里·蓋爾曼有著一種科學(xué)宅男獨有的幽默，他模仿鴨子的叫聲，將這種結(jié)構(gòu)命名為了“夸克”。
原子內(nèi)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的示意圖
在質(zhì)子與中子之中，夸克之間的相互作用力是由另外8種不同的粒子所傳遞的。這8種傳遞夸克之間作用的粒子統(tǒng)稱為“膠子”。就像它的名字所暗示的那樣，膠子可以將質(zhì)子或中子里的3個夸克“粘”在一起。
在質(zhì)子與中子之中，夸克所占的質(zhì)量只有大約1%。其余99%的質(zhì)量都來自于在夸克間飛來飛去的膠子的能量。在微觀和高速的世界里，質(zhì)量已經(jīng)不再是物質(zhì)的基本屬性，能量則可以通過某種“交易”機制成為質(zhì)量。
然而，最初的質(zhì)量是從哪里來的？在20世紀50－60年代蓬勃發(fā)展的粒子物理的理論模型中，質(zhì)量的起源一直是最棘手的問題。這一時期的理論認為，量子場所激發(fā)出的粒子應(yīng)該是沒有質(zhì)量的。然而，沒有質(zhì)量的粒子應(yīng)該像光子一樣，永遠以光速傳播，并且可以傳播向無限遠。然而，現(xiàn)實中科學(xué)家卻從未觀測到這樣的粒子，這就與這一時期的理論相矛盾。
直到1964年，弗朗索瓦·恩格勒和羅伯特·布繞特，以及彼得·希格斯分別發(fā)表了2篇文章，指出如果假設(shè)存在一個無處不在的場——也就是日后被稱為“希格斯場”的場，那么其他粒子在希格斯場中前行就會像是在泥沼中跋涉的旅人，可以通過與希格斯場的相互作用獲得質(zhì)量。而這一機制則被稱為“希格斯機制”。
就像是西方宗教故事中上帝創(chuàng)造了世間萬物一樣，希格斯機制賦予了世間萬物質(zhì)量。而希格斯粒子就像是希格斯場自身的漣漪，能證明希格斯機制的存在。美國的科學(xué)家利昂·萊德曼因此將希格斯粒子稱之為“上帝粒子”。
希格斯機制在被提出之初并沒有馬上贏得物理學(xué)家們的信任。直到3年之后，史蒂芬·溫伯格等人在嘗試開始搭建粒子物理的標準模型的時候才意識到希格斯機制在標準模型中的重要性。從此，粒子物理學(xué)界開始長達將近半個世紀的對希格斯粒子的狩獵。
目前，粒子物理學(xué)家尋找新粒子的終極武器就是對撞機?？茖W(xué)家將粒子加速，給予它們極高的運動能量，然后將兩束相向運動的粒子瞄準一個點對撞，那么在一瞬間，粒子的動能就能全部釋放出來。這一瞬間，一部分能量就能通過與質(zhì)量的“交易”機制轉(zhuǎn)換成質(zhì)量。而新的粒子，就有可能在這個過程中被創(chuàng)造出來。在20世紀的最后十年，歐洲和美國其實已經(jīng)各自運行著一臺曾被寄予尋找希格斯粒子希望的對撞機。然而，由于能量仍不夠高，以及收集到的數(shù)據(jù)的內(nèi)容過于復(fù)雜等原因，這2臺曾在粒子物理其他領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用的對撞機都遺憾未能最終找到希格斯粒子。但是早在1986年，美國的粒子物理學(xué)家就完成了對另一臺更加宏偉的對撞機的設(shè)計，它就是周長達到80多千米的超導(dǎo)超級對撞機（SSC）。1990年，它在美國得克薩斯州開始破土動工。到了1993年，已經(jīng)有上千名物理學(xué)家和工程師在SSC的建設(shè)過程中集結(jié)。可是命途多舛的SSC在經(jīng)歷了臨陣改變設(shè)計，以及冷戰(zhàn)對抗結(jié)束、民主黨總統(tǒng)上臺、國際空間站項目競爭等內(nèi)外變故之后變得愈發(fā)坎坷。終于在1993年年底，它的建設(shè)被美國國會叫停。美國科學(xué)家在尋找上帝粒子道路上的步伐戛然而止。在美國的對撞機競爭對手SSC被取消之后，歐洲終于決定不再猶豫。1994年，歐洲核子中心的各成員國毫無懸念地投票通過了LHC的建設(shè)計劃，并在新世紀的第一個十年內(nèi)完成了LHC的建設(shè)與調(diào)試工作。2009年年底，強大的LHC完成了它的第一次對撞。正如科學(xué)家們所期待的那樣，LHC迅速且高效的收集了大量的粒子對撞的數(shù)據(jù)。與此同時，科學(xué)家們也在馬不停蹄地進行著對收集到的數(shù)據(jù)的分析工作。2012年7月4日，是這一年的國際高能物理大會開幕的日子，也是值得被科學(xué)界銘記的一天。這一天，在位于日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心舉辦了一場特殊的報告會，并向全球進行了直播。在這場報告會上，2個在LHC上工作的合作組分別宣布了他們發(fā)現(xiàn)了“像是希格斯粒子的信號”。由于LHC的數(shù)據(jù)量如此之大，他們認為，這一發(fā)現(xiàn)是誤判的可能性只有幾百萬分之一。
發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的圖像之一。在巨大的背景干擾信號之中，在位于120和130之間的紅色小鼓包就是希格斯粒子的信號。
此時，距離恩格勒、布繞特和希格斯等人提出希格斯機制已經(jīng)過去了48年。當時，仍然在世的恩格勒和希格斯也出現(xiàn)在了日內(nèi)瓦的會場上，兩位耄耋老人的激動之情溢于言表。經(jīng)過了接近半個世紀的努力，人類終于發(fā)現(xiàn)了這個關(guān)乎質(zhì)量起源的粒子。
2007年，我國的網(wǎng)絡(luò)上流傳著這樣一則新聞：一位陜西的農(nóng)民拍攝到了一張野生華南虎的照片。輿情在當年的網(wǎng)絡(luò)上快速發(fā)酵，這是因為，野生華南虎曾被認為已經(jīng)絕跡，而這張照片讓動物保護者重拾了希望。然而，事情的結(jié)局正如大家所知道的那樣，這只不過是一場偽造照片所掀起的鬧劇。
2007年，曾在網(wǎng)絡(luò)上引起巨大爭議的華南虎事件的照片。
但是，假設(shè)在另一個平行的故事之中，有一張森林照片中拍攝到了真實的華南虎，那這張照片將無疑會是野生華南虎存在的重要證據(jù)。在LHC上發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子，就像是在一張茂密森林的照片中華南虎的身影。LHC是一臺能量巨大、用途廣泛的對撞機，它的對撞產(chǎn)物極其復(fù)雜，而希格斯粒子能夠產(chǎn)生的事件只占所有記錄下的粒子對撞事件中非常非常微小的一部分。在希格斯粒子事件之外，是茂密的、復(fù)雜的粒子衰變大森林，物理學(xué)家在這片“森林”之中不僅能找到希格斯粒子這只華南虎，還能找到大量其他的有意義的事件。幸運的是，大自然不會偽造照片，盡管科學(xué)家在這片森林照片中看到的希格斯粒子的身影很小，但是已足以讓科學(xué)家確信，那只藏了半個世紀的老虎，它就在那兒。然而，雖然巨大照片中的渺小身影能告訴科學(xué)家老虎就在那里，但是想要真正清楚地了解這只老虎的生活習(xí)性和健康狀況，捉一只回來看看或許才是更好的辦法。對于粒子物理學(xué)家來說，還真有一種類似于“捉回來看看”的辦法，那就是正負電子對撞機。雖然都被稱作“對撞機”，前文的LHC和SSC與正負電子對撞機其實是2類研究工具。LHC和SSC是強子對撞機，它們依靠超高的能量、復(fù)雜的物理過程，產(chǎn)生大量不確定的對撞產(chǎn)物。接下來，科學(xué)家們可以在這樣大量的對撞產(chǎn)物中進行復(fù)雜的篩選，挑選出自己感興趣的事件進行研究。因此，在強子對撞機上研究的課題可以很分散，每一個科學(xué)家都有自己獨特的研究興趣，可以在森林中尋找自己所需要的事件。然而這就導(dǎo)致了一個科學(xué)家感興趣的事件，在另一個科學(xué)家看來，可能就是干擾。因此，在森林中尋找目標粒子的過程非常艱難，而目標粒子的很多特征也會被淹沒在森林中異常豐富的干擾之中。正負電子對撞機則不一樣，它們會運行在“合適”的對撞能量上，并且依靠相對簡單的物理過程，產(chǎn)生大量相對“干凈”的目標粒子。強子對撞機的對撞產(chǎn)物五花八門，是一個“大力出奇跡”的過程。而正負電子對撞機的對撞產(chǎn)物則如同流水線商品，能給科學(xué)家更清晰的事件信號，因此，正負電子對撞機通常被當作某一種目標粒子的“粒子工廠”。對于希格斯粒子而言，盡管科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了它，但是對它的了解還很不透徹。2012年，科學(xué)家在LHC上發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子并確定了產(chǎn)生希格斯粒子所需的能量后不久，我國和歐洲的科學(xué)家團隊就分別拿出了一套可以作為“希格斯粒子工廠”的正負電子對撞機的建設(shè)方案。在未來的希格斯粒子工廠中，希格斯粒子也會如流水線上的商品一般被生產(chǎn)出來，彼時科學(xué)家對希格斯粒子的研究就可以像研究籠子中的老虎一樣清晰、準確且全面。
在粒子物理學(xué)家探究最小的微觀世界內(nèi)搭建“粒子物理學(xué)標準模型”的同時，有著另一批科學(xué)家在向著時間與空間尺度的另一個極端前進探索著。在過去的一個多世紀里，物理宇宙學(xué)的集大成者是宇宙大爆炸模型。在這個模型中，我們的宇宙始于大約138億年前一個無限致密、溫度無限高的點，而它的尺度從時間的開始起就一直在膨脹。在宇宙早期，物質(zhì)間的各種相互作用力都統(tǒng)一在一起，所有的基本粒子也都沒有質(zhì)量，而真空中則充滿了由希格斯粒子構(gòu)成的希格斯場。之后，隨著宇宙膨脹，宇宙的溫度開始極速下降。希格斯場的存在促使了核內(nèi)存在的兩種相互作用力與電磁力的互相分離，這個過程就像是一杯混合雞尾酒飲料在冷凍凝結(jié)的過程中，不同的成分分別在不同溫度下從飲料中被析出。而基本粒子也在這時候獲得質(zhì)量。
在宇宙大爆炸模型中，在宇宙年齡小于一億億億億分之一秒的這段時間里，宇宙經(jīng)歷過一段突然加速膨脹的時期，它的尺度從遠小于一個質(zhì)子的大小膨脹到了一個拳頭的大小，這個時期被稱作“暴脹時期”。宇宙的暴脹似乎是受到了一種新的量子場的影響，而這種場怎么看都有些像是希格斯場。
宇宙創(chuàng)世之初就存在的這個量子場是不是就是上帝粒子的波瀾？宇宙學(xué)家的模型在數(shù)學(xué)上很美妙，但是在物理上卻很骨感。數(shù)學(xué)模型再怎么美妙都只能是模型，只有被實驗證實之后才能成為真理。宇宙學(xué)家似乎在另一個背景下重新發(fā)現(xiàn)了希格斯場，就像是另一批探險者在森林中發(fā)現(xiàn)了食肉猛獸的腳印。但是，這個腳印是不是粒子物理學(xué)家拍攝到的“華南虎”？這只有在人類真正的捕捉到照片中的一只猛獸之后，也就是利用新的希格斯粒子工廠對撞機更系統(tǒng)地認知希格斯粒子之后，一切的理論假設(shè)才能有一個更堅實的結(jié)論。2018年年底，我國的希格斯粒子工廠——環(huán)形正負電子對撞機（CEPC）的設(shè)計團隊完成了對撞機的《概念設(shè)計報告》。而就在此之后的2個月后，歐洲的希格斯粒子工廠——未來環(huán)形對撞機（FCC）的設(shè)計團隊也發(fā)布了他們的《概念設(shè)計報告》。由于歐洲粒子物理學(xué)界在未來20年的工作重心仍然會在現(xiàn)有的對撞機LHC的升級與運行上，中國在希格斯粒子的狩獵游戲中將有望獲得10年的時間優(yōu)勢。當前，歷史的發(fā)展趨勢已經(jīng)到了更廣泛的科學(xué)合作成為科學(xué)研究的主流階段。無論我國還是歐洲，是誰建設(shè)了希格斯粒子工廠，科學(xué)家們都會在全球范圍內(nèi)通力合作，共同向人類的認知極限發(fā)起挑戰(zhàn)。而人類對于宇宙認知的發(fā)展，也會因此在不斷前進的歷史車輪上刻下最深刻的印記。本文首發(fā)于《科學(xué)24小時》2020年第10期。制版編輯 | Morgan
