引言

今天，2022年7月4日，是欧洲核子研究中心发现希格斯粒子十周年纪念日。欧洲核子研究中心的主报告厅内，一场纪念活动正在举行。十年前的主角们，2013年诺贝尔奖得主弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯分别通过视频与欧洲核子研究中心的科学家们一起纪念了这一时刻。

十年前，在欧洲大型强子对撞机LHC上运行的两个实验，ATLAS和CMS实验，在分别分析了他们于2011年和2012年上半年采集到的实验数据之后，同时发现在125个GeV（一种微观粒子的质量单位）的质量附近，有似乎是希格斯粒子的信号。于是2012年的7月4日，在欧洲核子研究中心的主报告厅内举办的一场盛大的报告会上，现在的欧洲核子研究中心主任Fabiola Gianotti，也就是时任ATLAS实验合作组的发言人，和CMS合作组的时任发言人分别宣布了这一发现的证据。随后，随着数据量的积累，越来越多的证据表明，这一粒子就是物理学家们已寻找了48年之久的希格斯粒子。

​2012年7月4日公布的希格斯粒子被发现的证据图。红色的虚线是没有希格斯粒子的情况下预期的分布，而红色的实线则是根据实验数据拟合出的分布，二者的差异，也就是在横坐标125 GeV附近的小凸起，便被认为是由于希格斯粒子的存在而带来的（图 CERN）

​2012年7月4日在宣布希格斯粒子被发现的报告会上为这一结果欢呼的科学家们（图 CERN）

在粒子物理学领域，描述基本微观粒子的性质和彼此之间相互作用的理论被叫做粒子物理的标准模型。在早期的粒子物理学理论当中，一些粒子被认为是不应带有质量的，因此它们在理论上应能将核力传播至无限远，然而，在实验观测中看到的核力传播距离有限的事实又表明，这些粒子确实是有质量的。为了解决这一矛盾，在1964年，物理学家弗朗索瓦·恩格勒和罗伯特·布绕特首先发表了一篇文章，随后彼得·希格斯也独立发表了一篇文章，在这两篇文章中，他们提出了一种相似的机制，认为存在一种场，这种场能赋予其他粒子质量，这样就解决了其它粒子质量来源的问题。这种场后来被称为希格斯场，而希格斯场自身的量子化激发就会产生希格斯粒子。

这一理论可以解决标准模型中的质量起源问题，但能够证明这一理论真正成立的关键性证据，也就是希格斯粒子却在等待了几乎半个世纪之后才被发现。在希格斯粒子被发现仅仅一年之后，仍然在世的恩格勒和希格斯便分享了2013年的诺贝尔物理学奖。

​粒子物理学的标准模型。外圈的12种粒子是构成物质世界的实物粒子，中圈是传递相互作用力的规范玻色子，而最里面是赋予其它粒子质量的希格斯玻色子

​标准模型中各种粒子之间的相互作用

粒子物理的实验设备通常都是复杂而巧妙，庞大而精密的。因此，粒子物理学实验从设计建造到调试运行的寿命周期通常是以若干个十年为尺度来衡量的。所以，粒子物理的研究通常是个几代人薪火相传的过程。在经历了漫长的发展之后，在十年前，标准模型中的最后一块拼图，希格斯粒子被发现了。然而，当标准模型的最后一片拼图落下之后，我们为何仍在将粒子物理学的认知边界不断推进向前？

“上帝粒子”现身十年来，人类对粒子世界的认知变化了什么？

十年很长，但在科学发展的历史长河中只是一瞬。虽然在十年前粒子物理学标准模型中所有被预言的基本粒子都已被发现，但是标准模型的建立涉及到了大量的自由参数，而这些参数的数值都只能通过实验测量才能获知。正如对光速的精确测量是相对论时空观诞生的基础一样，对物理量的精确测量永远是开辟新理论道路的重要途径。几十年来，粒子物理学家利用对撞机等巨大的实验设备，不断提升对这些参数的测量统计量，推进测量精度，但是，人类对这些自由参数的测量精度仍然有很大的提升空间。

举例来说，在标准模型中，一些粒子衰变的强度可以经过一系列运算之后表征为三个相加之和为180度的角度。因此，这三个角度就能在平面上画成一个三角形，粒子物理学家们把这个三角形称作“幺正三角形”。下面几张图就是最近十几年来科学家对于幺正三角形的认知的发展。

​科学家最近十几年对于幺正三角形测量的发展历史。四张图分别是科学家在2006年（左上）、2008年（右上）、2012年（左下）与2019年（右下）对于幺正三角形的认知，每一种不同颜色的色块表示一直不同的测量途径。如果标准模型完美成立，所有的测量途径的色块都应该在三角形最上面的顶点上重合

在图中，每一种不同颜色的色块都表示一种不同的实验测量途径测量出的结果可能所在的区域，因此色块越细表示测量越精准。而画面正中间的三角形就是所测量出的幺正三角形。如果标准模型完美成立，那么通过所有的测量途径得到的色块都应该在三角形最上面的顶点上重合。换言之，一旦发现不同测量途径得出的结论不一致（也就是测得的三角形三角之和不等于180度），就会有新的理论来解释这一现象，标准模型就会被突破、被发展。

可以看出，在2006年与2019年科学家对幺正三角形的认知精度已有了天壤之别。2006年以前，各种实验测量途径得到的误差几乎覆盖了整个平面空间，科学家可以勉强把各种测量手段的测量结果画在同一个平面上了，但各种实验手段测量出来的幺正三角形的上顶点的位置仍可能在一个相当宽阔的区域，也就是说仍有相当大的误差。

而到了2019年，积累的实验数据已能将幺正三角形的上顶点限制在很小的区域，甚至，有轻微的迹象表征不同测量途径测得的结果可能并不真正重合（如图中灰黄色色块与橘黄色色块并不完全重合在幺正三角形的上顶点）。

随着测量精度的不断提升，科学家未来将会逐渐有能力验证幺正三角形是否真的成立。越精确，才越有机会发现标准模型的软肋，继而突破标准模型产生新理论，倘若真有一天发现确实不成立，那便是标准模型再度被突破之日，便是人类对自然规律的认知进步之日。

正是由于测量精度的不断提升，一些新的物理现象也在过去十年间被粒子物理学家们发现，比如在2019年，欧洲核子研究中心的LHCb实验上发现的中性D粒子的正-反物质不对称性，或称为电荷-宇称不守恒。“电荷-宇称”变换是指一个粒子与其镜像反粒子之间的变换。粒子物理学标准模型中的弱相互作用可以在电荷-宇称变换中引入一点微小的差异，进而使得正反物质在宇宙中的行为略有不同。而这一点点微小的差异正是解释宇宙中几乎只存在正物质的关键之所在。

​描述中性D粒子和它的镜像对称反粒子之间存在差异的示意图

在宇宙大爆炸之初，宇宙是一个炽热的纯能量奇点。随着宇宙的膨胀与冷却，宇宙中的能量转化成了大量的正-反粒子对，此时正反物质总量是一样多的。随着宇宙冷却与膨胀的加剧，大量的正-反粒子又重新彼此结合，湮灭为光子，这个过程经过了长久的反复。然而在这个过程中，正反粒子的行为出现了些许不同，每大约十亿个正反粒子湮灭的过程中，就有一个正物质粒子被留了下来。正是这十亿分之一残留的正物质，使得如今宇宙不是空无一物，也组成了当今宇宙中所有的物质。

探究不同粒子的电荷-宇称不守恒的强度，有助于理解宇宙大爆炸之初的反物质如何被湮灭殆尽。在标准模型中的所有中性介子中，D粒子的电荷-宇称不守恒是最难被测量到的。得益于LHC上庞大的数据量，这一最难被发现的电荷-宇称不守恒也最终露出了庐山真面目。

在过去的十年间，粒子物理学家们还发现很多其它的粒子。在最后一个基本粒子希格斯粒子被发现之后，仍然有大量的复合粒子（被称为“强子”）仍隐藏在海量的数据丛林之中。这些强子可以更好的帮助科学家理解相互作用力以及基本粒子的性质。同样是通过不断的提升测量的精度，在过去的十几年间，依靠LHC上前所未有的对撞能量与数据量，科学家们已经在LHC上发现了62种新强子。这其中有十几个粒子的发现有中国科学家的重要贡献，它们就包括之前从未被发现过的新的物质形态——五夸克态。

​在大型强子对撞机上发现的新强子，以及他们的发现时间（横坐标）和质量（纵坐标）（图 P Koppenburg）

在希格斯粒子被发现之后，关于希格斯粒子本身的很多性质也得到了进一步的探索。ATLAS和CMS实验证实了，正如标准模型所预言的那样，标准模型中那些比较重的粒子是通过与希格斯场的相互作用而获得的质量。此外，一些新的希格斯粒子的衰变模式也被证实，这些实验观测结果为标准模型的验证带来了强有力的证据。

标准模型会是粒子物理学的终极理论吗？

尽管标准模型取得了巨大的成功，但是，随着实验证据的越来越丰富，科学家们也发现了许多直接挑战标准模型的实验现象。

比如在标准模型中，中微子应该是没有质量的，但是诸多中微子振荡的实验结果表明，中微子必须是有质量的。所以，未来需要有超出标准模型的新物理的理论来解释中微子质量问题。

再比如说，2021年，美国费米实验室公布了μ子反常磁矩的最新测量结果， 以更高的精度测量了展示了实验与标准模型理论计算之间的巨大差距。虽然这一结果尚未达到粒子物理学家认可的“5σ”标准，但仍然让科学家们看到了突破标准模型的巨大希望。

美国费米国家实验室公布的muon g-2实验对μ子反常磁矩的测量结果（紫色区域），和标准模型计算（绿色区域）的比较。两者之间存在巨大差异（图 Fermilab）

所以，2012年希格斯粒子的发现，仅仅是结束了一个长达半世纪的等待，但粒子物理理论与实验双螺旋上升的时代从未过去。

一方面，标准模型的框架虽已建成，但细节仍是不清晰的，还有大量的不确定的条件，所以一切基于希格斯机制与标准模型的理论都可以大胆的前进一步、提出更精细的实验要求了。另一方面，物理学家也十分清楚目前的标准模型是不完善的，正如前文所述，已有很多实验观测结果与标准模型的预测相冲突。

所以，标准模型不会是粒子物理学发展的终点，未来一定会有新的更完善的理论来表述微观世界的规律。

粒子物理学的未来会走向何处？

希格斯粒子又不仅仅和物质质量的起源有关系，也与比如早期宇宙演化的过程、暗物质与暗能量等等其它领域息息相关。因此，对希格斯粒子的更精确研究是粒子物理学界一个明确的未来需要完成的目标。

十年前，希格斯粒子被发现的同时也确定了它质量大约是125个GeV。这一条信息决定了如果想要建造专门用来生产希格斯粒子的粒子工厂式对撞机，它所需要的能量是多少。

科学家们发现，想要以最高的效率的产生希格斯粒子，所需要的对撞机的能量是240个GeV。在这个能量之下，大量的正负电子对撞之后能够产生一个希格斯粒子和一个传递弱核力的Z粒子。

因此，2012年9月，仅仅在希格斯粒子被发现之后的两个月后，中国的科学家就提出了在中国建造下一代正负电子对撞机的宏大计划，而这个新的正负电子对撞机的主要运行能量就锁定在了240个GeV。2018年，中国希格斯工厂对撞机CEPC的概念设计报告完成，一个宏伟工程的蓝图浮出了水面。

2020年6月，欧洲核子研究中心的公布了他们最新的发展战略，欧洲版希格斯工厂FCC被列为了最高优先级。FCC与中国的CEPC在周长、对撞能量等许多关键参数上都十分相似，这证实了CEPC的方案也被国际同行们认为是最好的方案。而日本的直线对撞机希格斯工厂也在长期的预研中早已形成方案，在等待政府的建设许可。可见，全球的粒子物理学家目前努力的方向是一致的。

欧洲规划中的未来环形对撞机FCC所在位置的示意图。FCC将整个日内瓦市包围在的其中（图 CERN）

​中国规划中的希格斯工厂对撞机CEPC的示意图（图 IHEP）

除了通过对撞机的途径，粒子物理学家还会通过其它充满科幻感的粒子物理探测器来研究粒子物理的方方面面。比如，在广东江门开平市地下700米的地下实验室里，中国的科学家正在建造一个超过10层楼高的巨大中微子探测器，这个巨大的探测器将于明年建成投入运行，届时将有望为能为三种中微子质量的顺序进行排序，测量中微子的许多参数，为中微子方向的多方面研究开辟新的道路。

正在安装中的江门中微子探测器。在钢架上能看到正在施工的安装工人（图 刘悦湘/摄）

在国际空间站上，华裔科学家丁肇中领导的实验团队建设的AMS-02探测器已几乎连续收集了十年的宇宙射线的数据，正在探索宇宙中的暗物质与反物质的证据。AMS-02探测器计划在2024年进行升级，以提升探测器的接受角度和测量精度，以期为研究暗物质与反物质提供更丰富的数据。

国际空间站及安装在其上的AMS探测器

为了探究微观粒子的各方面的性质，在南极冰盖之中，在地中海的深海海底，在千米深的矿井之下，在世界各地的极限环境中，科学家们还建造或规划了各种各样的粒子物理学探测器。这些探测器将同未来的对撞机一起，继续延伸人类对微观世界的认知极限

而明天，也就是2022年7月5日，欧洲核子研究中心经过升级后的LHC对撞机将正式开启它的第三阶段的取数运行。经过升级后的LHC，对撞能量更高了，束流亮度更大了，相比于十年前那个发现希格斯粒子的LHC，它的数据收集与处理能力又有了巨大的提升。

今天，我们纪念十年前的成就，但希格斯粒子的发现远不是终点，前方的路仍然道阻且长。十年前的辉煌尚未落幕，而新征程已即将开始。