希格斯玻色子：赋予宇宙质量的”上帝粒子”
2012年7月4日，日内瓦的CERN主礼堂里挤满了物理学家。当ATLAS和CMS两个实验组的发言人分别宣布他们在125 GeV能量处发现了一个新的玻色子时，83岁的彼得·希格斯坐在观众席上，默默摘下眼镜，擦了擦眼睛。近半个世纪的等待，理论终于变成了现实。这个后来被称为”上帝粒子”的发现，揭开了宇宙最深层的秘密之一：物质为什么有质量。
一个看似天真的问题
物理学家喜欢问简单的问题。为什么有些粒子有质量，而有些没有？光子以光速穿越宇宙，质量严格为零。电子有质量，但只有质子的约1/1836。W和Z玻色子的质量约为质子的100倍。这些数字从哪来？为什么它们不是零，或者不是无穷大？
1964年，包括彼得·希格斯在内的六位物理学家独立提出了一个优雅的解决方案。他们设想宇宙中弥漫着一种新的量子场——希格斯场。粒子在穿越希格斯场时会与它发生相互作用，就像人在水中行走会感到阻力一样。不同粒子与希格斯场耦合的强度不同，因此获得了不同的质量。光子不与希格斯场耦合，所以质量为零；顶夸克耦合最强，因此是已知最重的基本粒子。
寻找希格斯粒子的漫长征程
但如何证明一个看不见、摸不着的”场”真的存在？答案在于场的量子激发——就像电磁场的量子激发是光子一样，希格斯场的量子激发就是希格斯玻色子。如果你能制造出希格斯玻色子，你就证明了希格斯场的存在。
这需要极端条件。物理学家需要将质子加速到接近光速，然后在26.7公里长的环形隧道中对撞，释放出14万亿电子伏特的能量——比太阳核心温度还要高10万倍。建造这样的机器花了超过20年，耗资约47.5亿美元。2010年，大型强子对撞机（LHC）正式开始运行。两年后，希格斯玻色子在数据中浮现——以5个标准偏差的统计显著性，远远超过粒子物理学宣布”发现”所需的5σ标准。
希格斯粒子的遗产与未解之谜
发现希格斯玻色子不是故事的结束，而是新篇章的开始。精确测量显示，希格斯粒子的质量约为125 GeV，这个数值恰好位于一个微妙的位置：它既可以使标准模型在数学上自洽到普朗克尺度，又暗示着可能存在超出标准模型的新物理。
一个持续困扰物理学家的问题是”层次问题”：为什么希格斯粒子的质量比普朗克质量小17个数量级？为什么弱力的强度比引力强10的33次方倍？这些巨大的”层次”间隔似乎极不自然，暗示着可能存在超对称粒子、额外维度或其他尚未发现的新物理来”保护”希格斯质量。
CERN正在对LHC进行高亮度升级（HL-LHC），预计2030年代开始运行。届时每年产生的希格斯玻色子将是现在的10倍，物理学家将能以前所未有的精度研究这个粒子的性质——它的自耦合强度、与第二代费米子的耦合、以及是否可能存在希格斯场的姐妹粒子。每一个测量结果都可能打开一扇通往新物理的大门。
2013年，彼得·希格斯与弗朗索瓦·恩格勒共同获得了诺贝尔物理学奖。在颁奖典礼上，希格斯引用了物理学的一句老话：宇宙不仅比我们想象的更奇特，而且比我们能够想象的更奇特。也许在不久的将来，通过对希格斯粒子的深入研究，我们会对这句话有更深的理解。