戴瑾
毕业于北京大学物理系，通过李政道教授主持的CUSPEA项目留学美国。就读于德克萨斯大学奥斯汀分校，加入诺贝尔奖得主温伯格教授研究小组，从事高能物理理论研究，1990年获博士学位。从事物理学研究期间，曾发表被引用上千次的重要学术论文十余篇。从1996年开始从事IT行业工作。
董洁林导读
很多物理学家感慨，相比上个世纪的前半叶，现在的他们身处一个平庸的时代。五十多年前，太多激动人心的新物理理论和实验，才华横溢的年轻人可能凭一篇论文就载入史册。最近几十年，即使是智力超一流的物理学家，也只能做做二、三流的扫尾工作。2012年发现了上帝粒子之后，理论和实验完美吻合，一些高能物理学家觉得已经读到了一本精彩著作的最后一页，准备关灯转行了。且慢，人类对自然的了解其实很粗浅，最近发现新粒子，难道是一个新的上帝粒子？那么，原来的理论可能错了，新一轮理论变革可能来临，高能物理学家从昏昏欲睡中醒来了。
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3月17日，美国的几家主流媒体的官网上都报导了一则消息：欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）发现了一个疑似新粒子！
上一次我们从LHC听到新粒子，是“上帝粒子”希格斯的发现。这个疑似新粒子和希格斯相似，但要重得多。
如果这个粒子是真的，它的意义有多大？这要先从上帝粒子说起。
说说上帝粒子
现代粒子物理学关于这个世界的理论，叫做标准模型，或者最小标准模型。这个模型中，世界上有三类粒子：
第一类粒子我们姑且叫它们“物质”粒子（当然其他的粒子同样也是物质），它们的自旋都是1/2，一个分为三代共12种粒子，质量从小到大。第一代粒子有我们熟悉的电子、电子中微子、以及构成质子、中子的两种夸克u和d，共四种粒子。
第二类粒子负责传递“物质”粒子间的相互作用。有传递强相互作用的胶子、传递电磁相互作用的光子、传递弱相互作用的W和Z粒子，它们的自旋都是1。另外，还有那个没有被探测过，但应该存在的自旋是2的引力子。
第三类只有一个粒子，就是希格斯。它是标准模型中独一无二的自旋为0的粒子。希格斯有两个重要的作用：
打破对称性
标准模型的量子场论有一种叫SU(2)的对称性，电子和中微子，u和d夸克，有互换性。弱相互作用，本来不比电磁相互作用弱，和电磁相互作用一样可以在很远的距离上传递。W和Z粒子，本来和光子一样都是0质量的粒子。希格斯粒子通过一种叫做对称性自发破缺的机制打破了这一切。用一张图解释对称性自发破缺：
一般的粒子的场的势能图，是一个抛物面。真空状态下，场的平均值是0，在最中心的位置上。但希格斯粒子的势能图像一个帽子，本来这张势能图是旋转对称的，但真空不会在中心的位置，那个地方势能不是最低的，物理的真空态一定会掉到沟里的某一个地方。站在那个地方望一望周围，根本没有什么旋转对称。
物理规律和物理方程是对称的，但物理的真空不是对称的，这就是对称性自发破缺。希格斯粒子的场，在真空中的平均值不是零，你可以说希格斯在宇宙中无处不在。造成的结果是W和Z粒子都有了质量，分别是80GeV和91GeV。（GeV是10亿电子伏，一个能量单位。因为爱因斯坦的能量质量转换公式，粒子物理学家喜欢用能量单位来标记质量。质子、中子、氢原子的质量都是1GeV左右）。弱相互作用变成了作用在10^-18米以内的短程相互作用。
给予所有粒子质量
除了打破的SU(2)对称性，希格斯还有一个重要的作用。没有希格斯的时候，所有的“物质”粒子的质量都是0，希格斯通过一种叫做汤川耦合的相互作用给这些粒子带来了质量。你可以这样理解：真空中有很强的希格斯场，粒子在真空中运行，希格斯场和粒子的相互作用拖住了它，让它变重了。
不同的粒子和希格斯耦合强度不一样，所以质量有大有小。
希格斯为什么被称作“上帝粒子”，这原本是一位科普作家的玩笑，我是这样理解的：如果没有希格斯，所有的粒子都没有质量。你知道，没有质量的粒子永远只能以光速运行。宇宙在大爆炸以后冷却下来时，粒子们还是停不下来。特别是电子没有了质量，就不会被原子核抓住形成原子。没有了原子，就没有空气、水和土地，就不会有人类来研究粒子物理。正是——
原来的世界
很完美
很无聊
上帝创造了希格斯，于是
今日之天下
东方红
太阳升
对上帝的疑惑
标准模型中，最具争议性的恰恰就是这个上帝粒子。至少有两种争议：
第一：每一种粒子的质量完全取决于它跟希格斯的耦合强度，这个标准模型中有大量的参数。有这么多自由参数的模型不像一个基本理论，基本理论应该是比较简单的模型，有几个简单的常数推导出很多观测量。特别是，“物质”粒子们有从轻到重三代的族谱，上帝这么安排，难道没有更深层的原因吗？
就像化学家们当年发现了元素周期率，等物理学家们搞明白原子是怎么回事的时候，元素周期率就是理所当然的了。于是，很多人开始研究更深层次的大统一理论。
第二：支持标准模型的量子场论是有麻烦的。一个大麻烦是那个自旋为2的引力子，什么东西算出来都是无穷大，彻底失败，这就是著名的量子引力困境。一个小麻烦是这个自旋为0的希格斯。虽然勉强可以自洽，但一般情况下，希格斯粒子应该重很多很多个数量级，这就是希格斯自然性的困境。自旋为1/2的粒子，没有问题。
后来，物理学家门发现了一种叫做超对称的理论。这是一种奇怪的理论，有着既漂亮又复杂的公式。它认为每一个自旋为0的粒子都有一个自旋为1/2的伙伴，反之亦然。在这样的理论中，自旋为0的粒子，就和自旋1/2的粒子一样，OK了。当然目前这些超对称伙伴们一个都没看到，这个对称性一定像弱相互作用那样，被破缺了。这些伙伴们都很重，有一个足够强的加速器，应该能把它们敲出来。
寻找上帝粒子
无论理论物理学家做什么样的模型，物理学和所有的科学一样，最终要通过实验来检验的。探测希格斯，是欧洲核子中心的一项伟大工程。
大型强子对撞机（LHC）探测新粒子的方法，是把质子加到高速，让它们碰撞，看看能不能把新粒子撞出来。希格斯粒子的质量，是质子的100多倍。用电磁场把质子加速，要使得质子的能量超过自身质量的几千倍时，才有足够的机会产生希格斯。
LHC有长达27公里的环形地下隧道，质子束就在这样的管道里一圈一圈地被加速。为什么管道这么长？因为高速运动的东西很难拐弯。隧道里有1600个超导磁铁。运行起来耗电量相当于一个小型城市。
高速质子发生碰撞时，常常每次都产生几十甚至数百个粒子。需要大型的探测器，抓住、测量这些粒子。LHC上的探测器，同样是大型工程。
但希格斯不会飞进这个探测器里，它的寿命很短，一产生出来就衰变成别的粒子了。希格斯有很多种衰变方式，很多情况下产生质子、中子、介子等。这些粒子因为参与强相互作用被称为强子。强相互作用是最强的相互作用，大量的强子会在不相干的碰撞中产生，希格斯的强子衰变信号只会淹没在噪音里。最先探测到希格斯，是在它的双光子衰变通道。光子不参与强相互作用，两个高能光子较少在其他的场合下产生。
抓住所有的双光子事件，并测定两个光子在其质心参照系的总能量，把事件数量按质心系能量画图，一个新粒子将会是一个尖峰。量子的相互作用是随机性的，这条曲线注定凹凸不平，只有一个足够大的尖峰，盖过统计误差，才能被确认为新粒子。到2012年底，LHC积累了足够多的数据，在与理论预期符合的背景上，在125GeV处看到了一个10倍标准偏差的鼓包。毫无疑义地确立了希格斯的存在。从1983年发现W和Z粒子，90年代对Z粒子进行精密测量，到2012年发现希格斯，历经30年，欧洲核子中心终于完成了对标准模型的验证！在耗资100亿欧元后，LHC完成了自己的使命。
发现上帝粒子固然是实验物理学家的骄傲，却是不少理论物理学家的失落。要知道，标准模型在上世纪70年代末就基本确立，之后这40多年，物理学界基本都在研究标准模型之外的各种理论。现在，传说中的超对称小伙伴们一个也没有出现，倒是这个备受争议的希格斯被找到了，并且和标准模型符合得相当好。很多人这辈子都白忙乎了。
上帝粒子的发现会是粒子物理的终结吗？
上帝只有一个吗？
在这种情况下，这个疑似新粒子格外地令人激动。
这是LHC升级，能量提高以后的新数据。这个疑似新粒子，是在当年探测到希格斯的双光子通道上发现的。这个新粒子的质量是希格斯的6倍，在750GeV左右。不过，信号强度没有达到足够被确认为新粒子的5个标准偏差。（有个报道说是3.9倍标准偏差，但欧洲核子中心没有正式确认）。ATLAS和CMS两大探测器都在这个位置上发现了多余的双光子事件，无疑加重了疑似新粒子的分量。
过去40年，除了中微子质量的发现使得标准模型要做小的修改，高能物理实验基本都是在验证已经确立的理论。这一次，实验会走在理论的前面吗？欧洲核子中心在去年12月发布了这个消息，三周内，就引发了150余篇论文。人们都在猜，如果这个新粒子是真的，它到底是什么？
各种各样的猜测都有，甚至有一种奇诡的理论认为它是一种引力子。不过最合理的假设，它是一个类似希格斯的粒子。能衰变为两个光子的，一定是自旋为0、1、2的波色子。超对称理论中，电子、夸克都有自旋为0的伙伴，但由于重子数、轻子数守恒，它们都不会衰变为两个光子。在一些非最小的标准模型或超对称标准模型中，可以有两个以上的希格斯。也许，这是另外一个希格斯。
LHC将会继续做这个实验，未来一年会积累比现在多好几倍的数据。到底是大家白激动一场，还是粒子物理翻开新的篇章，一年以后一定见分晓。
2016-03-19
责任编辑 刘小编
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