希格斯粒子究竟是什么？為什么全球數(shù)千位科學(xué)家，花費(fèi)數(shù)十億美元，堅(jiān)持50年在尋找它？它被喻為粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型“最后的一塊拼圖”，可是為什么當(dāng)它終于被發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家們卻說(shuō)這是新物理的開端？中國(guó)科學(xué)家為什么想要建造下一代環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)來(lái)“批量生產(chǎn)”它？為什么這是我國(guó)高能物理研究，甚至國(guó)家發(fā)展的難得機(jī)遇？
通過(guò)以下十個(gè)問(wèn)答，希望能讓你對(duì)“希格斯粒子”與“環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)”的了解深入一步。
1、什么是粒子物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”？
粒子物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”是一個(gè)描述物質(zhì)世界的基本構(gòu)成（基本粒子）及其相互作用的理論，于20世紀(jì)60至70年代在弱電統(tǒng)一理論以及量子色動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上逐步完善起來(lái)。物理學(xué)家溫伯格（Steven Weinberg）、薩拉姆（Abdus Salam）和格拉肖（Sheldom Lee Glaschow）等是標(biāo)準(zhǔn)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，這些粒子后來(lái)陸續(xù)被高能物理實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。
粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型示意圖
標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的希格斯粒子是自旋為零的玻色子。與之相關(guān)的希格斯機(jī)制為基本粒子的質(zhì)量起源提供了動(dòng)力學(xué)解釋，因此是整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型的基石之一。假如希格斯粒子不存在，那將成為標(biāo)準(zhǔn)模型的重大缺陷。
2、什么是希格斯粒子？它為什么被稱作“上帝粒子”？
希格斯粒子是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的一種自旋為零的玻色子，以英國(guó)理論物理學(xué)家彼得·希格斯（Peter Higgs）的名字命名。標(biāo)準(zhǔn)模型中的一些其他基本粒子受希格斯場(chǎng)的作用產(chǎn)生慣性，最終形成質(zhì)量。因此可以說(shuō)，希格斯機(jī)制為物質(zhì)世界的形成奠定了質(zhì)量基礎(chǔ)?；玖Ｗ佑辛速|(zhì)量才能產(chǎn)生引力，才會(huì)形成宇宙和生命。在過(guò)去幾十年中，尋找希格斯粒子是許多大型高能粒子物理實(shí)驗(yàn)的最重要目標(biāo)。
1988年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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，究竟什么是問(wèn)題？》中，首次把希格斯粒子稱為“上帝粒子”，以強(qiáng)調(diào)它的重要性。此后媒體沿用了這一稱呼，為公眾廣泛接受。
3、什么是希格斯場(chǎng)和希格斯機(jī)制？
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，希格斯場(chǎng)是一種不可見的、遍及整個(gè)宇宙的能量場(chǎng)；希格斯機(jī)制是基本粒子的質(zhì)量產(chǎn)生機(jī)制。在希格斯機(jī)制中，希格斯場(chǎng)引起弱電規(guī)范對(duì)稱性的自發(fā)破缺，將質(zhì)量賦予傳遞弱相互作用的規(guī)范玻色子以及費(fèi)米子。希格斯粒子是希格斯場(chǎng)的量子激發(fā)，它通過(guò)自相互作用而獲得質(zhì)量。
根據(jù)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型和宇宙大爆炸理論，宇宙起源于一次大爆炸，無(wú)數(shù)的正反粒子同時(shí)產(chǎn)生，輕子和夸克通過(guò)與希格斯場(chǎng)的相互作用獲得了質(zhì)量。這些粒子構(gòu)成物質(zhì)，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的演化形成了星系，最終形成今天的物質(zhì)世界。
1993年，英國(guó)科技大臣曾向科學(xué)家們發(fā)出挑戰(zhàn)，讓他們用一頁(yè)紙的篇幅向他解釋清楚希格斯機(jī)制。他共收到117份作品，其中英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的物理學(xué)家戴維?米勒(David J. Miller)的解釋被評(píng)為最優(yōu)。
用漫畫來(lái)解釋希格斯機(jī)制。作者：David J. Miller
米勒把希格斯場(chǎng)比作在一個(gè)均勻分散著的一大群政客的房間，把一個(gè)沒有質(zhì)量的基本粒子比作前英國(guó)首相撒切爾夫人（Margaret Hilda Thatcher）。普通人可以任意穿過(guò)房間，就像光子一樣。但是撒切爾夫人的到場(chǎng)，一定會(huì)吸引大量的關(guān)注：人們會(huì)圍攏在她周圍，減慢她穿行的速度，使她獲得“質(zhì)量”。這個(gè)類比形象地說(shuō)明了沒有質(zhì)量的基本粒子是如何通過(guò)與希格斯場(chǎng)的相互作用而獲得質(zhì)量的。
4、希格斯粒子為什么如此難以捕獲？
希格斯粒子作為質(zhì)量之源，在137億年前的宇宙大爆炸初始就已經(jīng)完成了它的使命?，F(xiàn)在，物理學(xué)家要再次捕獲希格斯粒子的蹤跡，就只有建造高能對(duì)撞機(jī)，通過(guò)高能粒子的對(duì)撞，來(lái)模擬宇宙起源的時(shí)刻，“復(fù)活”希格斯粒子。
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC。圖片來(lái)源和版權(quán)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(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量的上百倍，需要極高的能量對(duì)撞才能“撞”出來(lái)。在位于瑞士和法國(guó)交界的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC中，每1012次的質(zhì)子對(duì)撞，才可能產(chǎn)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(lái)的概率極小。更麻煩的是，希格斯粒子極不穩(wěn)定，一旦產(chǎn)生就轉(zhuǎn)瞬即逝，十億分之一秒后就會(huì)衰變成光子、輕子對(duì)和強(qiáng)子等其他粒子。
為了尋找這塊“標(biāo)準(zhǔn)模型的基石”，全球的物理學(xué)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上被發(fā)現(xiàn)。
5、發(fā)現(xiàn)希格斯粒子對(duì)物理學(xué)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(fā)布會(huì)， 宣布在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC的ATLAS和CMS實(shí)驗(yàn)中，以近5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的統(tǒng)計(jì)顯著度觀察到一種質(zhì)量為125GeV的新粒子，與標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯粒子的預(yù)期一致。
CMS實(shí)驗(yàn)捕獲希格斯粒子的示意圖。圖片來(lái)源和版權(quán)所有：歐洲核子研究中心
希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)，填補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)模型最重要的一個(gè)缺口，使標(biāo)準(zhǔn)模型的理論基礎(chǔ)更加堅(jiān)實(shí)，成為下一步粒子物理理論和實(shí)驗(yàn)發(fā)展的新路標(biāo)?；A(chǔ)物理學(xué)因此面臨著一個(gè)重要的轉(zhuǎn)折和發(fā)展機(jī)遇。所以，這一發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是物理學(xué)在標(biāo)準(zhǔn)模型建立后的近幾十年來(lái)最重要的發(fā)現(xiàn)，是粒子物理學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)重大里程碑。
6、為什么還要深入研究希格斯粒子的性質(zhì)？
希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)從某種意義上完備了標(biāo)準(zhǔn)模型，但這并不是人類探索基本粒子的終結(jié)，而只是一個(gè)新的開端。
發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子可以解釋為什么有些基本粒子具有質(zhì)量，但現(xiàn)有理論并未預(yù)言希格斯粒子和其他基本粒子的質(zhì)量數(shù)值，因此需要深入研究希格斯粒子的性質(zhì)，以解釋相關(guān)質(zhì)量。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)模型不是萬(wàn)能和完美的，中微子質(zhì)量、暗物質(zhì)、暗能量、宇宙的物質(zhì)與反物質(zhì)不對(duì)稱等問(wèn)題都無(wú)法通過(guò)它得到解釋。挖掘出標(biāo)準(zhǔn)模型背后的物理規(guī)律（又被稱為新物理），探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子和新相互作用，已成為當(dāng)今國(guó)際粒子物理實(shí)驗(yàn)研究的最前沿，而對(duì)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么要建造超高能正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)？
研究物質(zhì)組成的微觀結(jié)構(gòu)需要借助大型對(duì)撞機(jī)，研究的尺度越小，所需要的對(duì)撞機(jī)的能量就越大。
希格斯粒子被發(fā)現(xiàn)后，科學(xué)家們非常希望擁有下一代正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)用以大量產(chǎn)生干凈希格斯粒子，即“希格斯工廠”。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC上質(zhì)子對(duì)撞過(guò)程產(chǎn)生非常多的本底，希格斯粒子事例混雜著大量無(wú)用“噪音”，給研究希格斯粒子的性質(zhì)帶來(lái)干擾和困難。如果采用正負(fù)電子對(duì)碰撞，則本底非常低，對(duì)希格斯粒子性質(zhì)更精確的測(cè)量將得以開展。
8、什么是“CEPC+SppC”方案?
希格斯粒子被發(fā)現(xiàn)后，我國(guó)科學(xué)家于2012年9月提出建造下一代環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）并適時(shí)改造為超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（SppC）的方案，即“CEPC+SppC”方案，在國(guó)際上引起巨大反響。該方案一期建設(shè)周長(zhǎng)50-100公里、能量250 GeV的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)作為希格斯粒子工廠，二期在同一隧道中建造50-100 TeV的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，能量比歐洲核子中心正在運(yùn)行的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC高7倍，通過(guò)高能量粒子對(duì)撞研究新物理。
大型環(huán)形加速器CEPC和SppC的設(shè)想。圖片來(lái)源與版權(quán)所有：高能所
建設(shè)CEPC的機(jī)遇是歷史對(duì)中國(guó)的青睞。如果CEPC能在2021年前后動(dòng)工，建設(shè)周期7-8年，2028年開始運(yùn)行，幾乎可以與國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)同步開展實(shí)驗(yàn)研究。以CEPC的優(yōu)勢(shì)，很有可能在超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理探索，以及標(biāo)準(zhǔn)模型的精確測(cè)量方面搶得先手，取得國(guó)際矚目的具有重大突破意義的物理成果。
50-100TeV能區(qū)則是科學(xué)家們最為期待的、極可能發(fā)現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)模型新物理的能區(qū)，將在超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)SppC上來(lái)實(shí)現(xiàn)。SppC也是未來(lái)新一代加速器設(shè)計(jì)的終極目的。
該方案的實(shí)施將使用和發(fā)展世界上最先進(jìn)的加速器相關(guān)技術(shù)，如機(jī)械、電子、真空、射頻微波、低溫超導(dǎo)、輻射防護(hù)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，可以大大推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，帶動(dòng)國(guó)家整體科技水平的提升。
9、CEPC和SppC的物理目標(biāo)是什么？
環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）主要科學(xué)目標(biāo)：利用質(zhì)心系能量250GeV附近的正負(fù)電子對(duì)撞產(chǎn)生大量而且干凈的希格斯粒子事例，從而精確測(cè)量其性質(zhì)，確認(rèn)該粒子是否為標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的希格斯玻色子，并通過(guò)它深入研究電弱對(duì)稱性自發(fā)破缺機(jī)制和質(zhì)量起源等基本問(wèn)題，尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理的線索。
超級(jí)質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)(SppC)的主要科學(xué)目標(biāo)：致力新發(fā)現(xiàn)，通過(guò)高能質(zhì)子對(duì)撞，尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子和新物理現(xiàn)象，理解宇宙中暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)等等。
10、未來(lái)超高能對(duì)撞機(jī)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)是怎樣的？
高能量是粒子物理領(lǐng)域發(fā)展的最前沿。為了引領(lǐng)粒子物理學(xué)的新時(shí)代，建造超高能對(duì)撞機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)已悄然展開，國(guó)際上正在醞釀的方案除了中國(guó)科學(xué)家提出的“環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)+超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)”（CEPC+SppC），還有國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)（ILC）、緊湊型直線對(duì)撞機(jī)（CLIC）、大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（LEP3）、極高能大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（TLEP）、未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCC）、超大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（VLHC）、繆子對(duì)撞機(jī)（MC）等。
這些設(shè)想各有優(yōu)勢(shì)，但仔細(xì)分析起來(lái)，CEPC+SppC在科學(xué)目標(biāo)的豐富性、可拓展性、技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性及性價(jià)比等方面具有綜合優(yōu)勢(shì)，在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。
建造CEPC是我國(guó)粒子物理界的一個(gè)夢(mèng)想，是中國(guó)成為國(guó)際高能物理中心的一個(gè)機(jī)遇，是中國(guó)在科學(xué)和技術(shù)上領(lǐng)先國(guó)際的一個(gè)重要方面和標(biāo)志，必將對(duì)人類探索未知世界做出非常重要、影響深遠(yuǎn)的貢獻(xiàn)。
我們所存在的世界到底是怎樣形成的？人類一旦開始追問(wèn)，就注定踏上了追夢(mèng)的征途，也注定不會(huì)停下腳步。這個(gè)世界，因?yàn)槲粗錆M驚嘆，而這也正是她的魅力所在。
（高能所辦公室采編）
