CMS（紧凑μ子线圈）实验中的一个质子——质子碰撞事件产生了两个高能光子。
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■岳东晓
“上帝粒子”这个词可能会引起很多人的反感，但这种通俗的叫法比起Higgs玻色子可能要更好懂一点。你也可以换个角度来看，牛顿就认为自己是上帝的使者，给人类带来宇宙的知识。牛顿之后的物理学家很少有人这么自我定位，但是物理学在杨振宁之后的迅猛发展真正使人类走出了蒙昧，在一套基本理论基础上，定量地理解了宇宙起源之后的几乎一切。
这个屡试不爽的基本物理理论有一个很普通的名字：“标准模型”（Standard Model）。这个“标准模型”是基于杨振宁发现的规范场理论，加上所谓对称自发破缺的Higgs（希格斯）机制。过去的几十年中，围绕这个标准模型，物理学家进行了难以计数的计算，而这些计算又都与实验得到了几乎完美的吻合。
根据目前的数据，Higgs粒子很可能是找到了。对于人类而言，这是值得庆贺的事情——我们的智力竟然可以窥破自然界如此深奥的秘密。这个秘密告诉我们，为什么我们有质量。或者说，我们的质量从哪来。
牛顿猜出了一个牛顿第二定律：力等于质量乘以加速度。但牛顿无法告诉你质量从何而来。爱因斯坦写下E =mc2，但他也无法告诉你这个m从何而来。杨振宁创立了规范场理论，这个理论可以推导出所有的相互作用的方程，但杨振宁的理论里物质粒子的质量只能是人为加上。
把杨振宁的理论与Higgs机制结合，就构成了前面提到的标准模型。所以，要科普“上帝粒子”，得先讲杨振宁。
物理学与其他自然科学不同，是一门精确科学，很多理论结果能有实验验证到小数点后十几位。但物理规律其实都是根据简单的不变性原理推导而来。在杨振宁之前，人类真正能够写下方程的物理作用只有引力与电磁相互作用。随着物理学的发展，电磁相互作用成了一组严密而美妙的数学方程，这就是每一个科学与工程人士都应该熟知的麦克斯韦尔方程（Maxwell’s equations）。而后，爱因斯坦发展了引力的几何理论——也就是广义相对论。
引力属于非常微弱的作用——试想，整整一个地球的引力才能把我们困在地面，电磁作用也不强。当人类的探索走向微观，人们发现，物质原来蕴涵了巨大的能量。粒子之间强大的作用力，正是核能的源泉。在人类文明发端以来，宇宙起源之谜一直是一个哲学问题。根据爱因斯坦的广义相对论以及相应的天文观测，人们已经知道，宇宙源于所谓大爆炸。如果反推到遥远的过去，整个宇宙都充斥着巨高能量的粒子。理解这一切，就需要像麦克斯韦尔方程那样的定量科学理论。
但是与引力和电磁力不同，粒子之间其他作用是非常短距离的。这个距离小于一根头发的万亿分之一，完全超出了可以直接观测的范围。人们迫切需要一种像爱因斯坦的广义相对论一样，没有任何实验数据却破空而出的惊世杰作，用纯粹理性把我们带进宇宙奥秘的神秘之门。在这个理论出现之前，世界上所有基本物理理论都不过是盲人摸象而已。
1954年，一位年轻的中国人发表了一篇现在称为YANG-MILLS规范场的论文，这篇论文在今天看来奠定了整个标准模型的理论基础。在这篇论文里，杨振宁给出了所有相互作用的原理，以及对应的精确数学方程。这就是我们今天经常听到的规范场理论。
与其他基本物理理论一样，规范场理论也是基于物理规律的不变性（搞物理的人也喜欢用对称性这个词），就是物理规律应该在某种变换下保持不变。当杨振宁把这种不变性扩展到基本粒子的量子理论，他惊讶地发现，要使理论保持不变，就必须存在对应的相互作用，这就是所谓规范场。
具体来说，杨振宁发现，如果有两种粒子，那么它们之间的变化可以用一个2×2的复数矩阵描述，如果物理规律要在这种类型的局域变换下保持一致，则不能光有这两个粒子，还必须加一个相互作用。换言之，从本来没有考虑相互作用的自由粒子方程开始，一旦考虑规范不变原理，我们就必须要求粒子之间有相互作用，而且这个规范不变原理还告诉你相互作用应该是怎样的。
电磁力由光子传递，光子的零质量是电磁力距离无穷的原因。当时，人们认为：由于粒子之间的弱作用与强作用都是短程的，其相互作用应该是由有质量的粒子传递（我们现在知道，虽然gluon质量为零，但是由于规范场的非线性，导致所谓夸克囚禁）。但在杨振宁理论中，规范场粒子不能有质量——因为如果规范场有质量，物理方程就不能保持规范不变了。因此杨振宁论文刚刚问世的时候并不为人所接受。
规范场的质量产生问题的解决方案从超导体理论得到了启发。超导现象的第一个特征是没有电阻，一旦电流形成，可以永久保持。但超导体还有一个更为基本的特征，那就是它完全排斥磁场——磁场不能从超导体中间通过。从理论物理的角度，这个现象意味着超导体内，光子获得了质量。对于这个质量的解释，苏联物理学家朗道等人提出了朗道—金兹堡模型，在电子的电磁量子方程里凭空加了一项。这一项如果画一个图，就像一个墨西哥帽子。与很多物理理论一样，这种模型的微观原理最初都没有解释，而是一种纯粹的灵感。但这个理论与实验得到了极好的吻合。基于基本原理的超导微观理论的发现是在若干年之后，由BCS理论完成。
有鉴于朗道—金兹堡模型成功地给零质量光子提供了质量（而且维持局域规范不变），固体物理学家安德森建议粒子物理学家们尝试类似的方案，也就是几乎空穴来风般地在YANG-MILLS方程里加一个新的场，这样一来原本没有质量的规范场获得了质量，而规范场维持了其局域的规范不变。首先写出这个方程的人是Higgs，但他的论文寄出去被拒绝了，只好作了些修改之后再发给其他刊物。这是1964年的事情。
很多人在提到Higgs机制的时候，喜欢使用对称自发破缺的说法，其实这是一个用词的谬误。实际上，Higgs机制恰恰维持了YANG-MILLS规范场的局域不变性（local gauge invariance）。也就是说，规范不变才是王道。
数年之后，温伯格等人把 YANG-MILLS场与Higgs理论综合起来，成功构造了弱电统一理论。这个理论又很快得到了实验的验证。
Higgs机制不仅给传播弱相互作用的规范场玻色子（boson）赋予了质量，还成了所有物质粒子（称为费米子，fermion，如夸克与电子等）质量的来源。Higgs场的真空值不为零，物质粒子的质量同它们与这个Higgs场的耦合成正比。
Higgs粒子如果最终被证实，我们都应该庆祝。人类自古问的一个问题，我们来自哪里，在标准模型再一次得到实验证实之际，有了更为可靠的答案。两千年以前，人类还在迷信雷公电母、天狗吃日。今天，我们凭着自己的理性，掌握了自然界深层的机密。
但显然，标准模型不是终极真理，如同朗道模型一样，Higgs场背后必然有着更深刻的基本原理。
一旦我们进一步突破，或许我们的知识使我们能够构造一个全新的宇宙——也就是成为上帝。
【由于篇幅限制，本文有删节，全文可查阅岳东晓科学网博客或珍珠湾全球网 http://ZhenZhuBay.com】
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编者按：北京时间7月4日，位于日内瓦的欧洲核子研究委员会（CERN，世界上研究粒子物理学最大型的实验室）的物理学家们宣布发现了一种新的亚原子粒子，这可能是难以捉摸的希格斯玻色子（“上帝粒子”），而希格斯玻色子被认为是宇宙形成的关键。此新闻引起社会广泛关注。7月6日，科学网邀请中科院高能物理所研究员邢志忠、中科院理论物理研究所博士鲍得海就此事件与网友进行了在线交流。
“上帝粒子”答疑
“上帝粒子”为何如此受关注
网友：假如现在课堂里坐满高中生，你怎么向他们描述和解释“上帝粒子”？
邢志忠：物质都有质量，就像在座的每一位都有重量一样。质量起源于何处？在微观层面，来自“上帝粒子”希格斯。
网友：把希格斯粒子称为“上帝粒子”是否有点夸大？貌似它只是弱相互作用中的玻色子质量来源，强相互作用的粒子质量和玻色子又没什么关系。
邢志忠：强相互作用中夸克的质量也来源于希格斯机制。
网友：中国科学家参与这项研究了么？都做其中的哪些工作，或承担什么角色？
邢志忠：参与了，实验和分析，也有硬件的工作。角色可能不是主要的。
网友：请问“上帝粒子”和大亚湾发现的中微子哪个意义更大？
邢志忠：当然是希格斯的发现意义更重大。
鲍得海：HIGGS被发现的意义远远大于中微子混合角度的测量结果。
网友：除了CERN的LHC（欧洲大型强子对撞机），在世界上还有没有其他的组织在寻找或有望寻找Higgs，有哪些？
邢志忠：以前美国的Tevatron找过，没有找到。现在只有LHC。
鲍得海：应该没有了！巨型加速器造价太高。
网友：这个实验只有他们能做，无人重复怎么验证其真实性呢？
邢志忠：ATLAS和CMS合作组分别取数分析，互相认证。
网友：由于俺对那神马希格斯粒子一窍不通，所以就想向两位专家打听一下，那玩意对俺们这些普通人到底有神马用啊？
鲍得海：如果发现预言中的HIGGS粒子，是人类理性（标准模型）的一大胜利！这有点像麦克斯韦尔方程组，预言了无线电波，意义深远。
邢志忠：可以满足我们的好奇心。在探索它的过程中，我们会发现和人民生活有用的东西。你知道我们正在用的互联网，就是欧洲核子研究中心的高能物理学家在传递数据时发明的吗？我们离不开它了！所以基础研究的魅力，无法预测。
网友：希格斯玻色子的发现对物理的影响会有多大？标准模型以外的其他模型会受到很大打击吧。
邢志忠：意义深远。不一定，他们会说除了标准的希格斯，还有非标准的，比如超对称预言好几个希格斯粒子，有的带电。
网友：希格斯粒子是无所不在吗？是不是有质量的地方都缺不了它？什么地方会没有这种粒子？
邢志忠：不是的，它的寿命不长，不会持久存在。
能否说清楚质量起源
网友：Higgs消失的时间很快，但它又是质量的起源，而我的身体有质量。是不是说自己体内Higgs粒子大量产生大量湮灭，但质量守恒？
邢志忠：不是。我们身体内没有这种粒子。质量守恒是化学层面上的事情。
网友：Higgs赋予粒子质量，怎样赋予其万有引力？
邢志忠：有了质量，物体就有万有引力。
网友：物质质量的来源除了“上帝粒子”还有什么？
邢志忠：还有量子色动力学效应。这要看在哪个层面上谈论物质。
网友：将来是不是可以写一本书：质量的起源，把这个问题完全说明白呢？自打学牛顿F=ma的时候就问这个问题，当时想，质量的定义完全是循环论证啊。
邢志忠：人类要弄清楚质量起源，还有很长的路要走。你可以看看最近诺奖得主Wilczeck的论文，题目就是origin of mass，我读了很受启发。从牛顿力学开始。
网友：Higgs 场可以为很多种粒子提供质量（或者部分提供），并且大多数粒子都有质量。这也就是说Higgs 场极其容易与大多数的粒子相互作用，且到处充斥着Higgs场。那么为什么它这么难找呢？应该很容易就找到呀？
邢志忠：简单说，它不带电，就不如带电的好找。其次，它与费米子的耦合正比于费米子质量，比如与电子耦合，正比于m(e)/v, 其中m(e) = 0.5 MeV, v = 246 GeV，所以这个耦合系数压低得很厉害。要看到它，需要先产生足够多的事例数。
有无其他可能
网友：这回发现的higgs粒子有没有可能是two higgs doublets中较轻的higgs粒子？
邢志忠：不是完全没有可能，但似乎不太像。
网友：CERN公布的粒子的行为有点反常，不完全是标准模型的行为，有可能不是“希格斯粒子”么？有可能是一种全新的粒子么？
邢志忠：有可能，但是可能性似乎不大。标准模型是可靠的理论，其他新物理模型有更多的不确定性。
网友：在太空中，没有类似本实验的对撞模型？比如两个天体对撞。如果有的话，地球上也没必要建一个这么大的加速器。
邢志忠：会有高能对撞，但那是人工不可控的。
网友：由希格斯粒子给基本粒子提供的质量，凭神马隔空产生相互吸引力？还需要引力子的存在吗？
邢志忠：需要，引力子传递引力，希格斯提供的是另外一种相互作用。
《中国科学报》 (2012-07-10 A3 网谈)
