十问“希格斯粒子”与“环形正负电子对撞机”----中国科学院

　　希格斯粒子究竟是什么？为什么全球数千位科学家，花费数十亿美元，坚持50年在寻找它？它被喻为粒子物理标准模型“最后的一块拼图”，可是为什么当它终于被发现，科学家们却说这是人类探索基本粒子的新开端？中国科学家为什么想要建造下一代环形正负电子对撞机来“批量生产”它？为什么这是我国高能物理研究，甚至国家发展的难得机遇？

　　通过以下十个问答，希望能让你对“希格斯粒子”与“环形正负电子对撞机”的了解深入一步。

　　1、什么是粒子物理的“标准模型”？

　　粒子物理的“标准模型”是一个描述物质世界的基本构成（基本粒子）及其相互作用的理论，于20世纪60至70年代在弱电统一理论以及量子色动力学的基础上逐步完善起来。物理学家温伯格（Steven Weinberg）、萨拉姆（Abdus Salam）和格拉肖（Sheldom Lee Glaschow）等是标准模型的奠基人。

　　该模型把基本粒子分为夸克、轻子和玻色子三大类别，共62种，这些粒子后来陆续被高能物理实验所证实。

粒子物理标准模型示意图

　　标准模型预言的希格斯粒子是自旋为零的玻色子。与之相关的希格斯机制为基本粒子的质量起源提供了动力学解释，因此是整个标准模型的基石之一。假如希格斯粒子不存在，那将成为标准模型的重大缺陷。

　　2、什么是希格斯粒子？它为什么被称作“上帝粒子”？

　　希格斯粒子是粒子物理标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，以英国理论物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）的名字命名。标准模型中的一些其他基本粒子受希格斯场的作用产生惯性，最终形成质量。因此可以说，希格斯机制为物质世界的形成奠定了质量基础。基本粒子有了质量才能产生引力，才会形成宇宙和生命。在过去几十年中，寻找希格斯粒子是许多大型高能粒子物理实验的最重要目标。

　　1988年的诺贝尔物理学奖获得者莱德曼（Leon Max Lederman）在其科普著作《上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什么是问题？》中，首次把希格斯粒子称为“上帝粒子”，以强调它的重要性。此后媒体沿用了这一称呼，为公众广泛接受。

　　3、什么是希格斯场和希格斯机制？

　　简单来说，希格斯场是一种不可见的、遍及整个宇宙的能量场；希格斯机制是基本粒子的质量产生机制。在希格斯机制中，希格斯场引起弱电规范对称性的自发破缺，将质量赋予传递弱相互作用的规范玻色子以及费米子。希格斯粒子是希格斯场的量子激发，它通过自相互作用而获得质量。

　　根据粒子物理标准模型和宇宙大爆炸理论，宇宙起源于一次大爆炸，无数的正反粒子同时产生，轻子和夸克通过与希格斯场的相互作用获得了质量。这些粒子构成物质，通过长时间的演化形成了星系，最终形成今天的物质世界。

　　1993年，英国科技大臣曾向科学家们发出挑战，让他们用一页纸的篇幅向他解释清楚希格斯机制。他共收到117份作品，其中英国伦敦大学学院的物理学家戴维•米勒(David J. Miller)的解释被评为最优。

用漫画来解释希格斯机制。作者：David J. Miller

　　米勒把希格斯场比作在一个均匀分散着的一大群政客的房间，把一个没有质量的基本粒子比作前英国首相撒切尔夫人（Margaret Hilda Thatcher）。普通人可以任意穿过房间，就像光子一样。但是撒切尔夫人的到场，一定会吸引大量的关注：人们会围拢在她周围，减慢她穿行的速度，使她获得“质量”。这个类比形象地说明了没有质量的基本粒子是如何通过与希格斯场的相互作用而获得质量的。

　　4、希格斯粒子为什么如此难以捕获？

　　希格斯粒子作为质量之源，在137亿年前的宇宙大爆炸初始就已经完成了它的使命。现在，物理学家要再次捕获希格斯粒子的踪迹，就只有建造高能对撞机，通过高能粒子的对撞，来模拟宇宙起源的时刻，“复活”希格斯粒子。

　　捕获希格斯粒子极为不易。希格斯粒子的质量是质子质量的上百倍，需要极高的能量对撞才能“撞”出来。在位于瑞士和法国交界的大型强子对撞机LHC中，每10¹²次的质子对撞，才可能产生一次希格斯粒子。就好比在一大堆沙子中，只有一颗金沙，把它找出来的概率极小。更麻烦的是，希格斯粒子极不稳定，一旦产生就转瞬即逝，十亿分之一秒后就会衰变成光子、轻子对和强子等其他粒子。

　　为了寻找这块“标准模型的基石”，全球的物理学家付出了近50年的艰辛努力。直到2012年7月，希格斯粒子才在欧洲核子中心的大型强子对撞机上被发现。

　　5、发现希格斯粒子对物理学有哪些意义？

　　2012年7月4日，欧洲核子研究中心召开全球新闻发布会，宣布在大型强子对撞机LHC的ATLAS和CMS实验中，以近5倍标准偏差的统计显著度观察到一种质量为125GeV的新粒子，与标准模型希格斯粒子的预期一致。

　　希格斯粒子的发现，填补了标准模型最重要的一个缺口，使标准模型的理论基础更加坚实，成为下一步粒子物理理论和实验发展的新路标。基础物理学因此面临着一个重要的转折和发展机遇。所以，这一发现被认为是物理学在标准模型建立后的近几十年来最重要的发现，是粒子物理学发展史上的一个重大里程碑。

　　6、为什么还要深入研究希格斯粒子的性质？

　　希格斯粒子的发现从某种意义上完备了标准模型，但这并不是人类探索基本粒子的终结，而只是一个新的开端。

　　发现了希格斯粒子可以解释为什么有些基本粒子具有质量，但现有理论并未预言希格斯粒子和其他基本粒子的质量数值，因此需要深入研究希格斯粒子的性质，以解释相关质量。另一方面，标准模型不是万能和完美的，中微子质量、暗物质、暗能量、宇宙的物质与反物质不对称等问题都无法通过它得到解释。挖掘出标准模型背后的物理规律（又被称为新物理），探索超越标准模型的新粒子和新相互作用，已成为当今国际粒子物理实验研究的最前沿，而对希格斯粒子的深入研究很可能是最好的突破口。

　　7、研究希格斯粒子为什么要建造超高能正负电子对撞机？

　　研究物质组成的微观结构需要借助大型对撞机，研究的尺度越小，所需要的对撞机的能量就越大。

　　希格斯粒子被发现后，科学家们非常希望拥有下一代正负电子对撞机用以大量产生干净希格斯粒子，即“希格斯工厂”。大型强子对撞机LHC上质子对撞过程产生非常多的本底，希格斯粒子事例混杂着大量无用“噪音”，给研究希格斯粒子的性质带来干扰和困难。如果采用正负电子对碰撞，则本底非常低，对希格斯粒子性质更精确的测量将得以开展。

　　8、什么是“CEPC+SppC”方案?

　　希格斯粒子被发现后，我国科学家于2012年9月提出建造下一代环形正负电子对撞机（CEPC）并适时改造为超级质子对撞机（SppC）的方案，即“CEPC+SppC”方案，在国际上引起巨大反响。该方案一期建设周长50-70公里、能量250 GeV的环形正负电子对撞机作为希格斯粒子工厂，二期在同一隧道中建造50-70 TeV的质子对撞机，能量比欧洲核子中心正在运行的大型强子对撞机LHC高7倍，通过高能量粒子对撞研究新物理。

　　建设CEPC的机遇是历史对中国的青睐。如果CEPC能在2021年前后动工，建设周期7-8年，2028年开始运行，几乎可以与国际直线对撞机同步开展实验研究。以CEPC的优势，很有可能在超出标准模型的新物理探索，以及标准模型的精确测量方面抢得先手，取得国际瞩目的具有重大突破意义的物理成果。

　　50-100TeV能区则是科学家们最为期待的、极可能发现超出标准模型新物理的能区，将在超级质子对撞机SppC上来实现。SppC也是未来新一代加速器设计的终极目的。

　　该方案的实施将使用和发展世界上最先进的加速器相关技术，如机械、电子、真空、射频微波、低温超导、辐射防护、计算机及网络等技术，可以大大推动相关领域的发展，带动国家整体科技水平的提升。

　　9、CEPC和SppC的物理目标是什么？

　　环形正负电子对撞机（CEPC）主要科学目标：利用质心系能量250GeV附近的正负电子对撞产生大量而且干净的希格斯粒子事例，从而精确测量其性质，确认该粒子是否为标准模型预言的希格斯玻色子，并通过它深入研究电弱对称性自发破缺机制和质量起源等基本问题，寻找超出标准模型的新物理的线索。

　　超级质子-质子对撞机(SppC)的主要科学目标：致力新发现，通过高能质子对撞，寻找超出标准模型的新粒子和新物理现象，理解宇宙中暗物质和暗能量的本质等等。

　　10、未来超高能对撞机的国际竞争态势是怎样的？

　　高能量是粒子物理领域发展的最前沿。为了引领粒子物理学的新时代，建造超高能对撞机的竞争已悄然展开，国际上正在酝酿的方案除了中国科学家提出的“环形正负电子对撞机+超级质子对撞机”（CEPC+SppC），还有国际直线对撞机（ILC）、紧凑型直线对撞机（CLIC）、大型正负电子对撞机（LEP3）、极高能大型正负电子对撞机（TLEP）、未来环形对撞机（FCC）、超大型强子对撞机（VLHC）、缪子对撞机（MC）等。

　　这些设想各有优势，但仔细分析起来，CEPC+SppC在科学目标的丰富性、可拓展性、技术可行性、经济性及性价比等方面具有综合优势，在国际上处于领先地位。

　　建造CEPC是我国粒子物理界的一个梦想，是中国成为国际高能物理中心的一个机遇，是中国在科学和技术上领先国际的一个重要方面和标志，必将对人类探索未知世界做出非常重要、影响深远的贡献。

　　我们所存在的世界到底是怎样形成的？人类一旦开始追问，就注定踏上了追梦的征途，也注定不会停下脚步。这个世界，因为未知而充满惊叹，而这也正是她的魅力所在。