美人如花隔云端

( 英国理论物理学家皮特·希格斯 )

诗人俞心焦在他的代表作《墓志铭》中，开篇就语出惊人：

在我的祖国

只有你还没有读过我的诗

只有你未曾爱过我

这具有强烈个人英雄主义气息的诗句，哪里还像是寻常诗人温柔的诉说，简直就是对人直接的责问，使人初读时感觉如同夏日里被瓢泼大雨迎头浇下，因而具有独特的感染力。在高能物理学领域，也有一群科学家，他们现在都怀着像诗人一样强烈而痛苦的感情，在追寻一种假想中的基本粒子。经过多年的追寻，科学家们从满怀信心到希望渺茫，仿佛处处都见到le这个粒子留下的痕迹，却始终不见这个粒子的真面目。他们一定也在呼唤甚至是责备这个追求已久却始终不得一见的粒子：在我的研究领域里，只有你还未曾出现！

这个从来没有出现过的基本粒子，就是被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子，它因英国理论物理学家皮特·希格斯（Peter Higgs）而被命名。1964年，希格斯和其他几名物理学家几乎同时提出了一个基本粒子模型，而后经过很多科学家共同的努力，在20世纪70年代这个模型逐渐完善，形成了一个完整的系统，被称为“标准模型”。这个标准模型可以说是还原论最现代、最科学，也是最直观的体现，它包含了将近200种微观粒子并且描述了这些粒子间的相互作用，而所有的这些微观粒子都是由17种最基本的粒子由不同的方式结合构成的。在这17种基本粒子中，包含6种夸克和6种轻子，这12种粒子统称为费米子，它们是构成物质的基本粒子；还有4种玻色子负责传递粒子间的相互作用，这16种基本粒子都已经被发现，唯有至关重要的假想中的希格斯玻色子至今还没有被发现。希格斯玻色子之所以如此重要，是因为在标准模型中是由它和其他粒子相互作用而赋予其他粒子质量，这听上去与人们的直觉相悖——质量并非是物质的内在秉性而是由基本粒子和希格斯玻色子相互作用得来。标准模型中的希格斯玻色子可以解释为什么有的粒子具有质量，而有的粒子又没有质量（比如光子）。这个标准模型虽然还没有包含宇宙万物，尚不能解释引力还有近期引起科学家们极大兴趣的暗物质和引起宇宙加速膨胀的暗能量，却已经包含了强相互作用，弱相互作用和电磁相互作用，而这几种作用在极高能的情况下趋于一致，它是人类在构造一个大统一物理学体系过程中至今为止迈出的最大的一步，如果把标准模型比为一个房子，希格斯玻色子就是那根至关重要的房梁。

“上帝粒子”的称号则来自于另外一位理论物理学家，1988年诺贝尔物理奖得主利昂·莱德曼（Leon Lederman）的著作《上帝粒子：如果宇宙是答案，那么问题是什么？》（The God Particle：if the Universe Is the Answer，What Is the Question?），有趣的是，莱德曼一开始想称希格斯玻色子为“该死的粒子”，却被编辑改为“上帝粒子”。希格斯教授本人也并不喜欢这个名字，他本人不信仰宗教，他担心这个名字会让某些人产生联想或是误解。虽然直到现在也有很多研究基本粒子的高能物理学家对于标准模型的结构感到困惑，认为它人为构造的痕迹太重，显得过于牵强，只是暂时维持这样的构造看起来比较“合理”一些而已，但不可否认的是，标准模型显示出了强大的预测能力，让人不得不信服。在标准模型描述的17种基本粒子中，有7种基本粒子是被预测先于被发现的，而且这些粒子被发现之后其性质都与预测相同，其中包括3种夸克的发现。标准模型的预测已经帮助高能物理学家们赢得了3次诺贝尔物理奖（1976、1990和1995年）。因此科学家们现在大多相信，即使标准模型与事实不符，相差也“不会太大”。正是因为如此，希格斯玻色子才犹如一个神话传说中的拥有无双美貌的女子，让科学家们前赴后继地追求，却始终不能见得一面。

预测希格斯玻色子的存在是理论物理的一个神来之笔，高能物理学家们寻找希格斯玻色子的故事却充满了艰辛和苦涩。在2011年10月4日，当年诺贝尔物理奖不出意外地授予3位发现宇宙在加速膨胀的天体物理学家，人们的目光一下子全都聚集在了遥远宇宙的超新星上面，可是就在授予诺贝尔物理奖的前4天，美国费米国家实验室则出现了略显伤感的一幕。2011年9月30日14点，费米实验室的主任皮耶·奥登（Pier Oddone）下令，关闭已经在这个实验室运行了28年之久的Tevatron粒子加速器，这个质子——反质子加速器曾经是寻求希格斯玻色子的前沿阵地，直到2009年它被欧洲核子中心（CERN）的大型重子对撞机（LHC）所超越。它像一个尽责的老兵，尽管没有发现希格斯玻色子，仍然在20多年的工作中完成了它的任务，它最值得人铭记的辉煌莫过于在1995年发现顶夸克。而继承了Tevatron的技术并且夺取了它世界最大粒子加速器头衔的LHC，在2009年一亮相就吸引了人们的目光，现在一共有6300多名物理学家在LHC工作，其中也包括1600多名从Tevatron粒子加速器转投LHC的美国科学家。他们心里最关心的问题和公众一样，还是能否发现希格斯玻色子。一开始人们的情绪非常乐观，认为只要LHC能够正常工作，发现希格斯玻色子只是个时间问题，标准模型的预测能力早就不需质疑，正如几种夸克的发现过程，在被发现之前人们早就知道它“一定在那里”。在2011年初，坊间还不时有消息传出，说希格斯玻色子已经被发现，只是还没有对外公布或是发现者们还需要进一步确定而已。此时心情最激动的毫无疑问是爱丁堡大学的皮特·希格斯教授本人，只要希格斯玻色子一经发现，希格斯教授毫无疑问会获得象征物理学最高荣誉的诺贝尔物理奖并且作为物理学大师而被人铭记。希格斯教授本人对自己提出的标准模型的正确性和希格斯玻色子的存在毫不怀疑，他还半开玩笑地说，获得诺贝尔奖的一个重要因素就是要活得足够长（诺贝尔奖只授予尚在世的科学家，唯有2011年的诺贝尔生理学或医学奖授予了一位刚刚去世的科学家）。如今，这位1929年出生的科学家获得诺贝尔物理奖的希望却日渐渺茫。

“存在还是不存在，这是一个问题。”希格斯玻色子的藏身之处不停地缩小，2011年8月在印度孟买举办的国际轻子和光子会议上，科学家们公布的实验结果已经把希格斯玻色子可能的藏身之处大大缩小，排除了大部分最容易观测到的区域，更加精确地确定了希格斯玻色子的质量范围（如果它存在的话），同时也把标准模型理论逼到了死角。欧洲核子中心的研究主管塞尔吉奥·贝托鲁奇（Sergio Bertolucci）说：“未来的12个月里我们一定会有发现，如果希格斯玻色子真的存在的话，我们将会找到它；如果它不存在的话，那么它的缺失也会指引我们寻找新物理学的路径。”如果能够证明希格斯玻色子不存在，也是一个重大的科学发现，虽然这不会帮希格斯教授赢得一个诺贝尔物理奖。

令相信希格斯玻色子确实存在的科学家们感到安慰的是，尽管一直没有见到过希格斯玻色子，但是至今为止粒子加速器中得到的结果都与标准模型预测的一样。在理论上，科学家们早就对希格斯玻色子进行了无数次的演算，正如在欧洲核子中心工作的德国科学家罗尔夫·霍耶尔（Rolf Heuer）所说：“我们了解希格斯玻色子的每一个细节——除了它究竟是不是真的存在。”希格斯玻色子要么是压根就不真实存在的水月镜花，同时它的虚幻也证明了标准模型的失败；要么就是终将在万众瞩目之下一现芳容，这个让无数科学家“孤灯不明思欲绝，卷帷望月空长叹”的基本粒子的故事不久就可以水落石出。

现在说希格斯玻色子不存在为时尚早，费米实验室的Tevatron粒子加速器虽然已经关闭，但是它留下的海量数据足够费米实验室的科学家们分析好几年，并不排除从那里发现希格斯玻色子出现在低能区域的可能，而欧洲核子中心的LHC现在也只运行在最大功率的一半，它将以最大功率运行直到2012年底，同时也会产生大量的数据供科学家们寻找。

“在没有光明的地方，黑暗也是一盏灯。”如果希格斯玻色子真的不存在，这场科学史上最著名的，耗时最长、花费最多的大搜寻以失败告终，这个结果也会为物理学指引出一个新的方向，这个大搜寻的故事也必将被载入科学史册，它象征了人类对于一种统一理论的追求，也展示了人类对于物质世界的好奇心。“长相思，摧心肝。”希格斯玻色子若是真的犹如神话中的神女，只是存在于神话中而无法相见，那么科学家们也终归要回到现实，越过标准模型，继续寻找新的科学之美。■

（文 / 苗千） 基本粒子科学科普美人云端上帝粒子玻色子色子标准模型如花