希格斯玻色子已发现？
7月4日，西欧核子中心宣布，大型强子对撞机发现了一种新的玻色子，质量是125或126 GeV。也许是吸取了去年超光速中微子闹剧的经验和教训，这次欧洲核子中心的举动实在谨慎：先是在6月末透露风声说要公布一些新发现，然后是7月措辞谨慎的新闻，其中并无论断，只是反复声明新粒子“符合预期”，从其性质和行为来看“可能是”希格斯玻色子。
消息一出，物理界乃至公众无不沸腾。倘或新粒子最终可以被证实为希格斯玻色子，说其意义多重要也不过分。希格斯玻色子是何方神圣？本人并非粒子物理专业出身，只能略说几句，更详尽的介绍本人就不在此现学现卖了，有兴趣者还请查阅相关资料。当前的标准模型框架可以很好地统一强力、弱力和电磁力相互作用。标准模型的基础是规范场论，但它给出的预言是要么某些质量不为零的粒子不能具有质量，要么必须引入新的作用力和零质量粒子，这两种情况都与实际不符。早年物理学家并不清楚要如何克服这一障碍，直到上世纪60年代有研究者提出引入新场，问题才算得到解决，这种场随后以提出者之一、英国物理学家Peter Higgs命名。
希格斯场最重要的作用是赋予质量存在的理由，它充斥着整个宇宙，在其中运动的粒子会与背景场发生相互作用，不同粒子作用情况不同，由此获得的质量也不同，作用越强获取的质量也越大。传递作用力的规范玻色子经由希格斯机制通过对称性破缺获取质量，费米子则是通过汤川耦合来获取质量。
粒子经由与希格斯场的相互作用获取质量的形象化比喻——会场中的名人效应。（图片提供：CERN）
粒子与希格斯场相互作用的副产品是希格斯玻色子。倘或能找到希格斯玻色子，就可以证实希格斯场的存在，让标准模型的地位得以稳固。然而根据理论预言，希格斯玻色子无自旋、零电荷、零色荷、质量大且短寿，直接探测相当困难，长期以来只能通过间接证据来推断。先前的加速器实验结果都与理论符合得很好，物理界只希望能最终找到希格斯玻色子本身，一来最后证实理论，二来探讨希格斯机制具体的过程。当然，倘或实验最终没有发现希格斯玻色子，那么物理学家只好退而求其次，寻求其他赋予粒子质量的解释，毕竟希格斯场只是诸多解释中最简洁的一种。
那么希格斯玻色子质量究竟是多少？理论并没有给出统一的数据。如果要求标准模型在普朗克尺度以上都成立，那么对应的质量在115到180 GeV之间，不过也有更高的预测。另外根据W和Z玻色子的质量数据间接推测也可以给出对希格斯粒子质量的限制。粒子的质量直接影响的是它的寿命。如果将质量取作西欧核子中心公布的126 GeV，那么它的寿命只有1.6×10−22秒。
希格斯玻色子的探测手段与其他粒子类似，都是借助加速器将大量粒子加速到很高的能量上并让其相互碰撞，经由胶子融合、弱玻色子融合、希格斯制动辐射、顶夸克融合等途径生成希格斯玻色子，只是这样的事件发生的概率极小，哪怕使用大型强子对撞机这样的巨型仪器，每100亿次碰撞也只能生成1个希格斯玻色子。由于此类粒子寿命极短，直接探测是不大可能的。不过根据现有理论，物理学家可以计算其衰变产物并与实验结果相比较。
两个质子碰撞产生希格斯玻色子的计算机模拟。（图片来源：Wikipedia）
由于希格斯玻色子的重大意义，西欧核子中心规模空前的大型强子对撞机在设计之初就将探测它作为首要研究目标之一。在它问世之前，西欧核子中心的大型正负电子对撞机以及费米实验室的兆电子伏加速器都已经进行过相当多的研究，前者给出了114.4 GeV的质量下限，后者测定希格斯玻色子的质量不可能处于147 GeV到180 GeV之间，同时二者的实验数据都还显示在115 GeV之上可能存在新粒子，只是由于数据有限无法作出定论。而在今年7月正式公布结果之前，大型强子对撞机的实验也多次对希格斯玻色子的性质作出了限制，去年春更是有传闻说已经作出了新的发现。
直到今年，在积累了足够数据之后，西欧核子中心才将结果正式公布。大型强子对撞机涉及此次发现的仪器有两台而非一台，其一是CMS，其二是ATLAS，且两者的置信度都超过了5 σ，文章开头提到的两个质量数据分别就是这两台仪器的结果。这两台仪器都是通用的粒子探测器，用于分析对撞机产物的成分和动量与能量，设计之初就以寻找希格斯粒子作为首要目标。为了更进一步保证数据的可靠性，两个小组一度是不能互通有无的，禁止相互讨论结果，以免受到对方干扰。为了证实非凡的发现，这些措施既必要又严谨。
CMS（图片提供：CMS）与ATLAS。（图片来源：ATLAS Experiment © 2012 CERN）
不过西欧核子中心还是采取了审慎态度。想来除了去年超光速中微子事件的余悸之外（当然，这只是笔者揣测），希格斯玻色子的最终确定也需要进一步的数据，比如测量其自旋。现在的新粒子只是在质量和衰变方式等性质上符合预言，但是不排除经后续测量发现该粒子实为预料之外的又一种粒子的可能性，另外希格斯以外的其他理论也不是不能完全解释现有结果。如果情况确实如此，那么物理学家就必须要重写标准模型了。新粒子身份的最终确定尚待时日，人们只能拭目以待。
补记：2012年12月中旬，ATLAS小组发现可能存在两种希格斯玻色子，质量分别是123.5 GeV和126.6 GeV。当然，这究竟是事实还是仪器校正误差所致，还有待探讨……
