近代发现史上人类智慧最伟大的成就之一希格斯玻色子的发现及其科学意义

世界科学２０１２．

８●自从首次预测希格斯粒子存在的50年

以来，科学家终于宣布，世界上最期望已久的粒子终于在大型强子对撞机上被检测到。在瑞士日内瓦附近欧洲核子研究中心（CERN ）的礼堂内，充满了经久不息的热烈掌声、口哨声和欢呼声。这一突破意味着解释所有已知粒子以及作用于它们的各种力的粒子物理学标准模型，可望得以完成。

发现希格斯玻色子！

欧洲核子研究中心（CERN ）负责人7月4日宣布，质量约为125至126GeV 的希格斯玻色子分别在大型强子对撞机（LHC ）上的CMS 和ATLAS 子探测器上被发现，确定性水平，或者说标准偏差分别为5西格玛。即使按照粒子物理学家的严格标准，从统计学的角度来看，也足可以认定这种粒子已被发现。“我认为我们已经发现了它，”CERN 总干事罗尔夫·

霍耶尔（Rolf Heuer ）在当地时间上午9时开始的久已期盼的新闻发布会即将结束时宣布道。

CMS 项目组的乔·英卡代拉（Joe Incan -dela ）和ATLAS 项目组的法比奥拉·贾诺蒂

（Fabiola Gianotti ）报告称发现了质量约为

125至126GeV 的希格斯玻色子，并达到5

西格玛的标准偏差。这一结果与去年12月这两个项目组宣布的在统计学意义上稍逊的发现希格斯粒子“迹象”的报告大致相同。

3日晚约11时，人们就开始井然有序地

进入礼堂所在地，并在外露营休息，而于4日

早上才开始排队准备进入的许多人，却因人

满为患而被拒绝进入。之前的几天里，各种传

言、小道消息和炒作满天飞舞，但事实上，发现希格斯粒子几乎是可以肯定的，所以结果并不令人意外。人们有信心相信，一定会是如预期的最好结果。

希格斯玻色子赋予所有基本粒子以质量，是所有物质存在的基础，是希格斯场的最基本单位。希格斯场是一种包罗万象的实体，所有粒子都从中通过。有些粒子，如光子，可以不受阻碍地从中通过，它们是无质量的。而其他一些粒子则更像被困糖浆中的蝇子一样必须用力才能通过。希格斯粒子及希格斯场是标准物理模型中所不可或缺的，但在7月

4日宣布其发现之前，一直未被确定检测到。

新闻发布会上群情激奋，气氛热烈，最早预测希格斯玻色子存在的彼得·希格斯（Peter Higgs ，1964年希格斯玻色子以他的名字命名）也出席了这次新闻发布会，他心情激动地称此发现为“在我有生之年发生的最令人激动的事情。”

“这种质量的标准模式玻色子非常好，”贾诺蒂说道，“因为我们可以测量它，感谢大自然。”

近代发现史上人类智慧最伟大的成就之一

方宇宁

希格斯

玻色子

的发现及其科学意义欧洲核子研究中心计算机捕捉到一个典型的希格斯玻色子候选事件‖专稿‖

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８物理学家宁愿将发现的“希格斯玻色子”称为一种“新的玻色子”，这是因为他们还不清楚它的属性，还无法确定它与标准模型希格斯粒子的相似度。“研究这种粒子的所有属性将是一个漫长的过程，”霍耶尔说道。

需要研究的属性之一是这种粒子的自旋，按照标准模型，它应该是一个零值。CMS 项目组的奥利弗·巴克穆勒（Oliver Buchmueller ）说道，LHC 在

2012年底将能够确定新发现玻色子的自旋值。“令

人兴奋的并不仅仅是发现本身，而是这一发现对希格斯场研究前景的意义。”

希格斯玻色子及其重要意义

在全世界都在关注物理学界发现希格斯玻色子的好消息之时，人们格外想了解什么是希格斯玻色子科学家为什么要努力寻找它？为什么物理学界的这一事件会引起人们广泛的关注许多人对这些并不十分清楚。以下是《新科学家》杂志对这些问题给出的答案。

●科学史上最伟大的理论之一

比较简洁的答案：发现希格斯粒子，将可能代表近代发现史上人类智慧最伟大的成就之一，将证实科学史上最伟大的理论之一，这的确是一个好消息。

但是，如果在LHC 上发现了希格斯粒子，那么有待于发现的还更多。这是一个非常重要的实验，物理学家需要了解我们存在的一些根本性问题，从关于自然界存在的四种相互作用力是否统一这一重大理论的争论，到宇宙大爆炸究竟是由什么引起的等

等，这些至今仍然没有找到答案，回答这些问题可能已经超出了我们这一代人在技术和财力上的能力。

较为详尽的答案：基本粒子是构成一切物质实体的基本成分，其中质子、中子和电子构成一切稳定的物质，质子、中子、原子核，最终是原子，都是有质量的。如果没有希格斯粒子，这些粒子就会是无质量的，就像光子一样。

我们从经验知道，物体有多重，取决于它位于何处。例如，在陆地上沉重的物体，在水中就会轻一些。同样，如果你在糖浆中推动一个汤匙，感觉一定比在空气中移动它更费劲一些。

粒子物理学的标准模型暗示存在着一个充满所有空间的“希格斯场”，这个“希格斯场”与各种粒子相互作用，其活动有强有弱，互动强烈的粒子，在运动中会遇到更多的阻力，显得更重；有些粒子，如光子，与“希格斯场”完全不产生互动，因此光子总是保持无质量的状态。

如此，一切物质的质量都由“希格斯场”的存在而决定，而质量是我们存在环境中的一个意外，因为在我们生存的宇宙中，恰好就有这样的一个背景场。

●站在针尖上的天使

那么为什么是希格斯粒子呢？相对论告诉我们，没有任何信号可以比光跑得更快。这一理论与量子力学结合在一起告诉我们，我们所认为的场的力量，实际上是各种粒子在物体间的传播。粒子传输力量的方式是有点像“接球游戏”：如果我丢一球，你抓住了它，我会因投掷行为的后推力向后退几步，你也会因接球的动作向后退几步。因此，如果我们双方都有所行动，那么我们就会互相排斥。所以，如果存在有一个希格斯场，那么也一定存在有一种与这个场相关的粒子，这种粒子就是希格斯粒子。

这似乎是一种想象中的设想，就像想象站在针尖上的天使。那么，是什么原因促使科学家去想象这样一种场景呢

过去50年里最大的成就之一是两种自然力的统一：电磁力和弱力的相互作用。在这个“弱电统一理论”（Electroweak Theory ）中，无质量光子的远距离交

流产生电磁力，有质量的W 粒子和Z 粒子的交流则产生短程弱力，CERN 于20世纪60年代预测了W 和

Z 粒子的存在，20世纪80年代证实了它们的存在。

质量约为125至126GeV 的希格斯玻色子分别在大型强子对撞机

（LHC ）上的CMS 和ATLAS 子探测器上被发现

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