十問「希格斯粒子」與「環形正負電子對撞機」

　　希格斯粒子究竟是什麼？為什麼全球數千位科學家，花費數十億美元，堅持50年在尋找它？它被喻為粒子物理標準模型「最後的一塊拼圖」，可是為什麼當它終於被發現，科學家們卻說這是人類探索基本粒子的新開端？中國科學家為什麼想要建造下一代環形正負電子對撞機來「批量生產」它？為什麼這是我國高能物理研究，甚至國家發展的難得機遇？

　　通過以下十個問答，希望能讓你對「希格斯粒子」與「環形正負電子對撞機」的了解深入一步。

　　1、什麼是粒子物理的「標準模型」？ 

　　粒子物理的「標準模型」是一個描述物質世界的基本構成（基本粒子）及其相互作用的理論，於20世紀60至70年代在弱電統一理論以及量子色動力學的基礎上逐步完善起來。物理學家溫伯格（Steven Weinberg）、薩拉姆（Abdus Salam）和格拉肖（Sheldom Lee Glaschow）等是標準模型的奠基人。

　　該模型把基本粒子分為夸克、輕子和玻色子三大類別，共62種，這些粒子後來陸續被高能物理實驗所證實。

粒子物理標準模型示意圖 

　　標準模型預言的希格斯粒子是自旋為零的玻色子。與之相關的希格斯機制為基本粒子的質量起源提供了動力學解釋，因此是整個標準模型的基石之一。假如希格斯粒子不存在，那將成為標準模型的重大缺陷。

　　2、什麼是希格斯粒子？它為什麼被稱作「上帝粒子」？ 

　　希格斯粒子是粒子物理標準模型預言的一種自旋為零的玻色子，以英國理論物理學家彼得·希格斯（Peter Higgs）的名字命名。標準模型中的一些其他基本粒子受希格斯場的作用產生慣性，最終形成質量。因此可以說，希格斯機制為物質世界的形成奠定了質量基礎。基本粒子有了質量才能產生引力，才會形成宇宙和生命。在過去幾十年中，尋找希格斯粒子是許多大型高能粒子物理實驗的最重要目標。

　　1988年的諾貝爾物理學獎獲得者萊德曼（Leon Max Lederman）在其科普著作《上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什麼是問題？》中，首次把希格斯粒子稱為「上帝粒子」，以強調它的重要性。此後媒體沿用了這一稱呼，為公眾廣泛接受。

　　3、什麼是希格斯場和希格斯機制？ 

　　簡單來說，希格斯場是一種不可見的、遍及整個宇宙的能量場；希格斯機制是基本粒子的質量產生機制。在希格斯機制中，希格斯場引起弱電規範對稱性的自發破缺，將質量賦予傳遞弱相互作用的規範玻色子以及費米子。希格斯粒子是希格斯場的量子激發，它通過自相互作用而獲得質量。

　　根據粒子物理標準模型和宇宙大爆炸理論，宇宙起源於一次大爆炸，無數的正反粒子同時產生，輕子和夸克通過與希格斯場的相互作用獲得了質量。這些粒子構成物質，通過長時間的演化形成了星系，最終形成今天的物質世界。

　　1993年，英國科技大臣曾向科學家們發出挑戰，讓他們用一頁紙的篇幅向他解釋清楚希格斯機制。他共收到117份作品，其中英國倫敦大學學院的物理學家戴維•米勒(David J. Miller)的解釋被評為最優。

用漫畫來解釋希格斯機制。作者：David J. Miller

　　米勒把希格斯場比作在一個均勻分散著的一大群政客的房間，把一個沒有質量的基本粒子比作前英國首相柴契爾夫人（Margaret Hilda Thatcher）。普通人可以任意穿過房間，就像光子一樣。但是柴契爾夫人的到場，一定會吸引大量的關注：人們會圍攏在她周圍，減慢她穿行的速度，使她獲得「質量」。這個類比形象地說明了沒有質量的基本粒子是如何通過與希格斯場的相互作用而獲得質量的。

　　4、希格斯粒子為什麼如此難以捕獲？ 

　　希格斯粒子作為質量之源，在137億年前的宇宙大爆炸初始就已經完成了它的使命。現在，物理學家要再次捕獲希格斯粒子的蹤跡，就只有建造高能對撞機，通過高能粒子的對撞，來模擬宇宙起源的時刻，「復活」希格斯粒子。

大型強子對撞機LHC。圖片來源和版權所有：歐洲核子研究中心 

　　捕獲希格斯粒子極為不易。希格斯粒子的質量是質子質量的上百倍，需要極高的能量對撞才能「撞」出來。在位於瑞士和法國交界的大型強子對撞機LHC中，每10¹²次的質子對撞，才可能產生一次希格斯粒子。就好比在一大堆沙子中，只有一顆金沙，把它找出來的概率極小。更麻煩的是，希格斯粒子極不穩定，一旦產生就轉瞬即逝，十億分之一秒後就會衰變成光子、輕子對和強子等其他粒子。

　　為了尋找這塊「標準模型的基石」，全球的物理學家付出了近50年的艱辛努力。直到2012年7月，希格斯粒子才在歐洲核子中心的大型強子對撞機上被發現。

　　5、發現希格斯粒子對物理學有哪些意義？ 

　　2012年7月4日，歐洲核子研究中心召開全球新聞發布會， 宣布在大型強子對撞機LHC的ATLAS和CMS實驗中，以近5倍標準偏差的統計顯著度觀察到一種質量為125GeV的新粒子，與標準模型希格斯粒子的預期一致。

CMS實驗捕獲希格斯粒子的示意圖。圖片來源和版權所有：歐洲核子研究中心 

　　希格斯粒子的發現，填補了標準模型最重要的一個缺口，使標準模型的理論基礎更加堅實，成為下一步粒子物理理論和實驗發展的新路標。基礎物理學因此面臨著一個重要的轉折和發展機遇。所以，這一發現被認為是物理學在標準模型建立後的近幾十年來最重要的發現，是粒子物理學發展史上的一個重大裡程碑。

　　6、為什麼還要深入研究希格斯粒子的性質？ 

　　希格斯粒子的發現從某種意義上完備了標準模型，但這並不是人類探索基本粒子的終結，而只是一個新的開端。

　　發現了希格斯粒子可以解釋為什麼有些基本粒子具有質量，但現有理論並未預言希格斯粒子和其他基本粒子的質量數值，因此需要深入研究希格斯粒子的性質，以解釋相關質量。另一方面，標準模型不是萬能和完美的，中微子質量、暗物質、暗能量、宇宙的物質與反物質不對稱等問題都無法通過它得到解釋。挖掘出標準模型背後的物理規律（又被稱為新物理），探索超越標準模型的新粒子和新相互作用，已成為當今國際粒子物理實驗研究的最前沿，而對希格斯粒子的深入研究很可能是最好的突破口。

　　7、研究希格斯粒子為什麼要建造超高能正負電子對撞機？ 

　　研究物質組成的微觀結構需要藉助大型對撞機，研究的尺度越小，所需要的對撞機的能量就越大。

　　希格斯粒子被發現後，科學家們非常希望擁有下一代正負電子對撞機用以大量產生乾淨希格斯粒子，即「希格斯工廠」。大型強子對撞機LHC上質子對撞過程產生非常多的本底，希格斯粒子事例混雜著大量無用「噪音」，給研究希格斯粒子的性質帶來幹擾和困難。如果採用正負電子對碰撞，則本底非常低，對希格斯粒子性質更精確的測量將得以開展。

　　8、什麼是「CEPC+SppC」方案? 

　　希格斯粒子被發現後，我國科學家於2012年9月提出建造下一代環形正負電子對撞機（CEPC）並適時改造為超級質子對撞機（SppC）的方案，即「CEPC+SppC」方案，在國際上引起巨大反響。該方案一期建設周長50-70公裡、能量250 GeV的環形正負電子對撞機作為希格斯粒子工廠，二期在同一隧道中建造50-70 TeV的質子對撞機，能量比歐洲核子中心正在運行的大型強子對撞機LHC高7倍，通過高能量粒子對撞研究新物理。

大型環形加速器CEPC和SppC的設想。圖片來源與版權所有：高能所

　　建設CEPC的機遇是歷史對中國的青睞。如果CEPC能在2021年前後動工，建設周期7-8年，2028年開始運行，幾乎可以與國際直線對撞機同步開展實驗研究。以CEPC的優勢，很有可能在超出標準模型的新物理探索，以及標準模型的精確測量方面搶得先手，取得國際矚目的具有重大突破意義的物理成果。

　　50-100TeV能區則是科學家們最為期待的、極可能發現超出標準模型新物理的能區，將在超級質子對撞機SppC上來實現。SppC也是未來新一代加速器設計的終極目的。

　　該方案的實施將使用和發展世界上最先進的加速器相關技術，如機械、電子、真空、射頻微波、低溫超導、輻射防護、計算機及網絡等技術，可以大大推動相關領域的發展，帶動國家整體科技水平的提升。

　　9、CEPC和SppC的物理目標是什麼？ 

　　環形正負電子對撞機（CEPC）主要科學目標：利用質心系能量250GeV附近的正負電子對撞產生大量而且乾淨的希格斯粒子事例，從而精確測量其性質，確認該粒子是否為標準模型預言的希格斯玻色子，並通過它深入研究電弱對稱性自發破缺機制和質量起源等基本問題，尋找超出標準模型的新物理的線索。

　　超級質子-質子對撞機(SppC)的主要科學目標：致力新發現，通過高能質子對撞，尋找超出標準模型的新粒子和新物理現象，理解宇宙中暗物質和暗能量的本質等等。

　　10、未來超高能對撞機的國際競爭態勢是怎樣的？ 

　　高能量是粒子物理領域發展的最前沿。為了引領粒子物理學的新時代，建造超高能對撞機的競爭已悄然展開，國際上正在醞釀的方案除了中國科學家提出的「環形正負電子對撞機+超級質子對撞機」（CEPC+SppC），還有國際直線對撞機（ILC）、緊湊型直線對撞機（CLIC）、大型正負電子對撞機（LEP3）、極高能大型正負電子對撞機（TLEP）、未來環形對撞機（FCC）、超大型強子對撞機（VLHC）、繆子對撞機（MC）等。

　　這些設想各有優勢，但仔細分析起來，CEPC+SppC在科學目標的豐富性、可拓展性、技術可行性、經濟性及性價比等方面具有綜合優勢，在國際上處於領先地位。

　　建造CEPC是我國粒子物理界的一個夢想，是中國成為國際高能物理中心的一個機遇，是中國在科學和技術上領先國際的一個重要方面和標誌，必將對人類探索未知世界做出非常重要、影響深遠的貢獻。

　　我們所存在的世界到底是怎樣形成的？人類一旦開始追問，就註定踏上了追夢的徵途，也註定不會停下腳步。這個世界，因為未知而充滿驚嘆，而這也正是她的魅力所在。