希格斯粒子是如何赋予所有其他基本粒子质量的？
在粒子物理学的这个领域里，有一套用于描述弱力、强力和电磁力，以及组成所有物质的基本粒子理论，它被称为标准模型。而希格斯玻色子便是该模型中基本粒子里的一种，它具有自旋为零、生成之后就会立刻衰变等特性，它与一般基本粒子有所不同，因为希格斯玻色子可以为其他基本粒子赋予质量属性。尽管希格斯已被证实真实存在，但我们目前对它的了解程度还很有限，科学家们需要将“碰撞器”调整到更窄的交互当中，以制造出更多的希格斯玻色子，从而收集到更全面的数据来掌握这种神秘基本粒子的更多信息。众所周知，每一个基本粒子都需要通过与场不可见的实体交互后获取唯一属性，而赋予其他基本粒子质量的希格斯粒子，为何却如此难以捉摸？难以捉摸的希格斯玻色子早在1964年，物理科学家彼得希格斯发表了一篇具有重大意义的论文，并在文中对基本粒子具有质量的原因进行了假设。他预测存在一个可以渗透到太空、并拖拽通过它的所有东西的三维“场”，穿越场中的粒子会变得比一般粒子拥有更重的质量，这个领域后来被称为希格斯，若这个领域实际存在，那么就会有一个与其相关的粒子，它叫做希格斯玻色子。当时间快进48年之后，瑞士日内瓦的科学家宣布，他们发现了类似希格斯的粒子，若新的粒子结果是希格斯，那么近50年的粒子物理学理论将会被证实，并将希格斯玻色子与已知粒子结合到描述它们的方程之中，也就是所谓的标准模型。如何赋予所有其他基本粒子质量对于希格斯粒子而言，它最重要的任务就是赋予所有其他基本粒子质量，若没有它的存在，其他基本粒子都将因为太过松散而无法形成原子。除了没有光泽的胶子和光子以外，其他所有的基本粒子都是通过与希格斯场发生相互作用，从而获得它们的质量。而那些相对更难以穿过希格斯场的粒子，则会获取到更重的质量，比如极其“肥胖”的顶夸克，就与电子和中微子这些轻质粒子有所不同。我们都知道，在物理学中，当粒子和场发生相互作用的时候，必须存在一种粒子介导。比如，光子和光粒子介导与EM场的相互作用，并且其本身就是EM场的激发，当EM场将带有负电荷的电子拉向带正电的质子时，光子的瞬间弹出不过是为了协调粒子场中的相互作用，电子通过自身吸收和发射恒定的“虚光子”流穿过EM场。沿着相同的思路，希格斯粒子也介导着与希格斯场之间的相互作用，并且其本身也是希格斯场的激发。在交换虚拟希格斯粒子的时候，粒子会被认为正在希格斯场中跋涉，因而获取到了相应的质量。并且，如果希格斯场变得尤为兴奋，那么，真实的希格斯粒子表面会在某个点上发生能量燃烧的现象，而检测这种突发粒子，就是物理学家确定该场本身存在的最好方式。科学家们在大型强子对撞机上，通过一些技术手段让这些原子组合在了一起，通过粉碎高速质子，让它们足以在较短的时间里产生125千兆电子伏特，在激发希格斯场的同时，爆发了希格斯玻色子的所有特征。CLIC可揭示希格斯玻色子的秘密或许很多人都不会对大型强子对撞机（LHC）感到陌生，因其将一些称为强子的重型粒子撞击在一起而得名，当强子接近光速后便会开始粉碎。虽然在此之前，没有任何东西能够与其研究物理学前沿的能力相提并论。但是，这样的荣耀并不会永远存在，这个27公里的“电力环”将会在2035年左右熄灭，弄清希格斯玻色子的诸多谜团才是我们的根本目标。因而在这一天来临之前，科学家们提出了紧凑型直线对撞机(CLIC)的设计，希格斯玻色子的本质、它与顶夸克之间的关系，以及能否找到标准模型以外的提示，或许都能从CLIC中得到答案。与大型强子对撞机相比，CLIC的设计相对更加简洁，CLIC加速的是电子和正电子这两种轻的基本粒子，它就像一个粉碎机，从11公里到50公里直线加速粒子。当然，所有这些令人期待的事都不是一蹴而就的，CLIC的第一代仅以380千兆电子伏特进行运营，这个数字看上去不到LHC最大功率的三十分之一。这个时候或许有人会提出这样一个疑问，如果下一代粒子对撞机，甚至还无法超越我们目前所能做到的事，那么开发使用它的意义是什么呢？其实，它们两个之间最大的区别就在于CLIC获取答案的方式更聪明。对于大型强子对撞机而言，它的主要科学目标是找到希格斯玻色子这种长期寻找的粒子，正是之前的不确定性，才有了这个通用调查工具的诞生。然而，现在的情况却有所不同，因为我们已经知道希格斯粒子真实存在。CLIC的主要科学任务是在更易于研究的环境中，尽可能多的生成希格斯玻色子，以更多的帮助我们了解这种特殊的基本粒子。比如，希格斯玻色子之间是否也会有相互作用，它与标准模型中其他粒子之间的相互作用到底有多强？并且，还可以将相同的哲学运用于我们最不了解的顶夸克，以研究夸克这种粒子的衰变过程。LHC在寻找新物理和新粒子方面已然枯竭，即使还有一些剩下的时间，但这样的希望正在逐渐减小。相反，虽然希格斯粒子和夸克看上去并不是一回事，但CLIC的设计却可以让其超越标准模型所设定的界限。比如，当其中存在一些奇异粒子或相互作用，便可能会对这两种粒子的行为产生一些微妙的影响，不管是衰变、还是相互作用的过程。虽然我们并不确定CLIC会发现些什么新的内容，但如果想要更加彻底地了解这些已知粒子和发现更多新的粒子，就必须超越目前的大型强子对撞机，而CLIC就可以通过大量的希格斯玻色子和顶夸克的原始生成，从而寻找到更多新物理的暗示信息。
“万能”的希格斯粒子
大型强子对撞机（LHC）是欧洲核子研究中心（CERN）目前正在运行和最为重要的实验装置，其主要科学目标包括精确检验粒子物理的标准模型、发现标准模型的最后一块基石——希格斯粒子，以及寻找超出标准模型的新物理信号等。
LHC 及其配套的六个探测器由八十多个国家的近万名科学家，历时二十年，花费逾百亿美元于2008 年在日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）建成并试运行，次年开始正式运行。几十年来，CERN 建造了包括著名的大型正负电子对撞机（LEP）在内的若干不同类型的粒子物理、核物理实验装置，产生过多项具有里程碑意义的重大科学研究成果，甚至现在风靡全球、人们日常生活不可或缺的万维网（WWW）也发端于CERN 的实验室。
希格斯粒子究竟是什么？为什么花费那么多时间、精力和财力都要找到它？
这要从标准模型理论开始讲起，在标准理论中，大到不可思议的宇宙，小到难以想像的基本粒子，不胜枚举的数据（主要来自物理学、化学和生物学）都能够被描述和预测，精确到叹为观止的地步，而需要的仅仅是一些基本元素：夸克、轻子、四种基本作用力，再加上希格斯玻色子 。
在标准模型中，夸克和电子构成了世界万物，而它们本身不由任何东西构成。但我们知道世界万物是有质量的，而质量就来源于希格斯粒子（原本没有质量的基本粒子在宇宙冷却的过程中获得了质量；希格斯场也通过自相互作用获得了质量，对应的粒子即是标量希格斯粒子）。
标准模型理论可以说是目前人类对微观世界认识方面的最高理论成就。标准模型是如此成功，模型所预言的各种现象不断被证实，模型所需的基本组员也陆续被发现。2012年前，唯一的缺憾就是希格斯粒子还未找到。科学理论是对自然的解释和描述，正确与否最终都要靠实验来检验。如果得不到实验检验，再漂亮的理论，不论它看起来是多么玄妙，也不过是个假说，不会有长久的生命力。
终于在2012年7月4日，这个必定成为人类科学史上一个重要日子的一天。这一天，两个开展LHC物理研究的重要国际合作实验组ATLAS 和CMS，同时宣布在各自的探测器上均发现了希格斯粒子存在的迹象。
现在我们来详细介绍一下LHC。在瑞士、法国边境地下百米深处暗藏着一条环形隧道（图1）。隧道全长27 千米，里面藏着个庞然大物。它就是我们的主角：大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）（图2）。
【黄色小圆环为全长7千米的超级质子同步加速器，大圆环为全长27千米的大型强子对撞机。红色和蓝色圆环示意两道质子束运动轨迹和方向（入射箭头表示质子束注入），它们相交于四处，分别为四个主要探测器所在地。黑色实线表示LHC环道的八个等分区域，ATLAS在第一区域。CMS在第五区域。】
【LHC为大型强子对撞机，SPS为超级质子同步加速器，PS为质子同步加速器，AD为反质子减速器，CTF3为紧凑直线加速器测试设施，CNGS为从CERN到大萨索山中微子项目，ISOLDE为在线同位素分离器设置，LEIR为低能离子环，LINAC为直线加速器，n-ToF为中子飞行时间测量装置。】
LHC 高能质子–质子对撞实验装有四个大型探测器，ATLAS 和CMS 就是其中的两个多功能探测器，ATLAS 探测器非常庞大（图3），它深藏地底，位于LHC 的一个对撞点上。这些对撞点，顾名思义，就是身怀全球最高能量的两道粒子束对撞之处。
大多数高能粒子物理的探测器都分布在粒子束对撞点周围，它们洋葱结构的每一层都包含不同的技术，专门为了观测对撞的各种不同效应而设计（图4）。ATLAS 探测器身为两个通用型粒子探测器之一，负责粒子束对撞结果的测量任务。
【对撞产生的粒子经过内层跟踪器、热量计和μ子谱仪时表现出不同性质（虚线表示无法被相应仪器探测到）。μ子可以被所有仪器探测到，最后飞出探测器；光子和电子停留在电磁热量计，但光子无法被内层跟踪器探测到；质子和中子停留在强子热量计，但中子无法被内层跟踪器和电磁热量计探测到；中微子无法被任何仪器探测到，径直飞出探测器。】
如果你不介意陌生奇怪的名词，你完全可以跳过“术语”部分。但如果不了解标准模型的一鳞半爪，恐怕有些段落会不知所云。
试问：“一尺之棰，日取其半，是否万世不竭？”对于这个古老的问题，粒子物理的标准模型给出了一种解答，而且它是目前已知的最佳解答。
让我们再来一场想像之旅，这回往微观世界。想像一下，随手拿个物体，将它剥洋葱般层层剥开。你将发现从宏观到微观，它呈现着奇妙的层次结构，一直小到微米、纳米尺度的小颗粒：纤维、细胞、线粒体，等等。继续剥开这些小颗粒，最终你将得到分子。如果能量足够大，还可以剥开分子，得到原子。原子由原子核和电子组成。原子核非常小，结构坚硬致密，稳坐正中央，而电子如云雾般环绕着原子核。
你需要非常高的能量，才能从原子核的电磁吸引力中夺走电子。如果拥有更高的能量，你甚至可以剥开原子核，得到质子和中子。然而这仍非终点，如果你有能力继续提高能量（求助于大型对撞机吧！），还可以剥开质子和中子，得到夸克（quark）。迄今为止，人类还无法剥开夸克，也没有发现夸克的任何内部结构。日取其半，已经无物可取了。
在“粉碎原子”时，我们得到了原子核和电子。迄今为止，人类还无法剥开电子，也没有发现电子的任何内部结构。 这种现象（无法继续剥开粒子）就是判断粒子是否属于“基本粒子”的标准。
无论从什么物体开始，无论它是什么材料，只要不断提高能量，层层剥开，最终它都会“粉碎”成夸克和电子，无一例外。
如果坚持阅读下去，你会遇见为数众多、名称各异的粒子。但记住，万变不离其宗，如果剥开它们，只会得到少数几种基本粒子（图5）。
【三代12个费米子（夸克和轻子，每个均有反粒子）以及四个规范玻色子。为了解释质量起源，引入希格斯玻色子。（棕色区域表示相应规范玻色子可以与区域内的费米子耦合。）】
电子属于轻子（lepton），轻子是一类基本粒子的总称。μ 子（muon，读作渺子）和τ 子（tau，读作陶子）也属于轻子，它们和电子相似，但质量更大。除此之外，轻子还包括三种中微子。中微子特立独行，几乎不和任何物质相互作用，但它们比比皆是，不可胜数。太阳就是一个巨大的中微子源，每秒钟约有一千万亿个来自太阳的中微子从你的身体穿越而过！夸克组成了另一类基本粒子。正如轻子有六个成员，夸克也有六种，分别为上夸克（up）、下夸克（down）、奇异夸克（strange）、粲夸克（charm）、底夸克（bottom）和顶夸克（top），质量依次递增（但名字古怪程度中间最高）。上、下夸克组成了质子和中子。夸克总是禁闭在比它们更大的粒子中，人类从来没有发现自由夸克。由夸克组成的更大粒子通常称作强子（hadron，所以有大型“强子”对撞机，它主要用来对撞质子，偶尔也会用来对撞含有质子和中子的原子核）。
我已经介绍完目前已知的所有物质粒子。每一种粒子都有各自对应的反粒子，并且它们通过作用力相互作用——吸引、排斥或者散射（图6）。粒子之间的作用力不能凭空产生，需要由介质传递，而另一类粒子，矢量玻色子（vector boson），扮演着介质的角色。
电磁相互作用（电磁力）由光子（photon，光的量子）传递，作用于带电粒子，即中微子以外的所有粒子。
强相互作用（强力）由胶子（gluon）传递，作用于夸克。
弱相互作用（弱力）由W和Z 玻色子传递，作用于所有粒子。
标准模型若要真正发挥作用，尤其是让基本粒子获得质量，就必须引进另一种全新的粒子——希格斯玻色子（Higgs boson）。
或许你已经注意到，怎么一直不见提起我们最熟悉的引力？不幸的是，目前的标准模型中还没有引力的一席之地。引力由爱因斯坦的广义相对论描述，而迄今为止物理学家对广义相对论的量子化仍然束手无策。
内容选自 《希格斯粒子是如何找到的?》 。
