文 ｜ 陳繕真(中國科學院高能實體研究所特聘青年研究員)
2024年4月8日，英國粒子實體學家彼得·希格斯離世了，享年94歲。
他是一位低調、謙卑的實體學家。他預言了後來以其名字命名的“希格斯粒子”，而他為數不多的關于希格斯粒子的論文成為粒子實體學發展過程中最重要的突破之一。
希格斯粒子在粒子實體學理論體系中有着極為重要的地位。它是自然界基本粒子中唯一的标量玻色子，更重要的是，它能夠為其他粒子賦予品質。
然而，希格斯粒子行蹤隐秘，從它在理論上被提出到在實驗中被觀測到，跨越了近半個世紀。其間，粒子實體學标準模型建立并完善，而尋找希格斯粒子始終是這門學科的主線任務之一。由于對它的尋找貫穿了整個标準模型建立過程，這使得希格斯粒子的提出和發現成為粒子實體學發展中的重要裡程碑。
彼得·希格斯 圖檔來源：Peter Tuffy/愛丁堡大學
他對“希格斯粒子”這個名字不滿
在粒子實體學發展史上，1964年是充滿奇迹的一年。這一年，美國實體學家默裡·蓋爾曼提出了誇克模型，奠定了物質結構的基礎；愛爾蘭實體學家約翰·貝爾提出了著名的貝爾不等式，确立了驗證量子力學原理的方法；美國核實體學家詹姆斯·克羅甯和瓦爾·菲奇通過實驗發現了電荷-宇稱對稱性的破缺，證明了宇宙間正物質和反物質間的不對稱。也是在這一年，困擾實體學家多年的微觀粒子品質起源的問題悄悄地有了影響深遠的突破。
這一年，有3組實體學家——比利時理論實體學家弗朗索瓦·恩格勒和羅伯特·布繞特，彼得·希格斯，美國實體學家傑拉德·古拉尼、卡爾·哈庚和英國實體學家湯姆·基博爾，分别在8月、10月和11月獨立發表論文提出了一種機制。他們假定了一種特殊的場，這種場在與其他粒子互相作用的過程中能夠通過自發性的對稱性破缺過程賦予其他粒子品質。這3篇文章後來被統稱為“1964年對稱性破缺文章”。于是，這種機制便被一些人以這6位提出者的名字命名，被稱為恩格勒-布繞特-希格斯-古拉尼-哈庚-基博爾機制。後來，由于曆史的機緣巧合，這種機制被更多的人稱作希格斯機制。該機制中被假定的場稱為希格斯場，而希格斯場自身的量子化激發就是希格斯粒子。
然而，彼得·希格斯本人對“希格斯粒子”這一名字并不滿意，他認為其他人的貢獻同樣重要，而僅僅使用“希格斯”命名會忽略其他有貢獻的科學家。
更讓他不滿的是“希格斯粒子”的另一個名字，也是公衆更為熟知的名字——“上帝粒子”。彼得·希格斯是無神論者，他認為這一具有宗教色彩的名稱有悖于科學研究的初衷。但是，有無數人喜歡這個名字，就像西方宗教故事中上帝創造萬物，希格斯粒子“創造”了萬物的品質。是以，把希格斯粒子叫作“上帝粒子”，從實體意義上來講其實并不過分，甚至還有些貼切。
将希格斯粒子稱作“上帝粒子”的起源是美國實體學家利昂·萊德曼在1993年出版的一大學普著作《上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什麼是問題？》。當時，利昂·萊德曼上司了周長達87公裡、造價高達80多億美元的超導超級對撞機建設。該項目的一個重大目标就是尋找希格斯粒子。該項目最初得到了美國國會的支援，但後來能夠決定科學實驗項目生死的政客們逐漸失去了對這一目标的興趣。利昂·萊德曼意識到，有必要向公衆講清楚粒子實體學發展的宏大目标，以及尋找希格斯粒子的重要性，于是便寫了這樣一大學普著作。
利昂·萊德曼本來想用“天殺的粒子”（Goddamn particle）來稱呼這個難以捕捉且尋找它的實驗極其複雜、耗資巨大的粒子。然而在編輯的建議下，他改用了“上帝粒子”（God particle）這一稱呼。
然而，利昂·萊德曼上司的超導超級對撞機項目還是在1993年10月被美國國會扼殺了。這使得美國從此失去了找到希格斯粒子的機會，也使美國失去了在粒子實體學領域的上司地位。
1994年，歐洲準許了建設歐洲版“超級對撞機”的計劃，建造一個周長27公裡，橫跨瑞士、法國兩個國家的巨大裝置，即大型強子對撞機。後來，這台裝置沒有讓科學家失望，它建成投入運作後真的發現了希格斯粒子。
2012年7月4日，在粒子實體學史上是值得銘記的一天。這一天，歐洲核子研究中心舉辦了一場特殊的報告會。歐洲大型強子對撞機上運作的兩個實驗的合作組分别釋出了過去一年多來實驗資料的分析結果，他們同時發現了希格斯粒子——标準模型中的最後一塊拼圖。而這一天，距離希格斯機制的提出已經過去了48年，6位提出者中的一些人已經離開了人世。
這一天，彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒受邀參加了報告會。在宣布實驗結果的時候，媒體拍到彼得·希格斯在擦拭眼角。顯然，在有生之年見證粒子被發現，讓這位時年83歲的老人百感交集。
讓諾獎委員會“抓狂”的諾獎得主
希格斯粒子的發現，使彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒成為2013年諾貝爾實體學獎最熱門的人選。
2013年，筆者在英國曼徹斯特大學攻讀粒子實體學博士學位。10月8日，諾貝爾獎委員會公布了當年實體學獎的獲獎者。獲獎者公布時間比預期晚了一個小時，獎項毫無懸念地頒給了半個世紀前預言希格斯粒子存在的兩位粒子實體學家——弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯。
獎項公布8天後，彼得·希格斯通路了曼徹斯特大學，并被授予榮譽學位。在學位授予儀式開始前，彼得·希格斯抽出時間，和我們這些粒子實體專業的學生進行了輕松愉快的交流。
這次交流中，學生們對一周前諾貝爾獎公布被推遲的一個小時裡發生了什麼感到好奇。而這位老人毫不避諱，跟大家講起了當天的故事。
原來，在2012年歐洲核子研究中心發現希格斯粒子、彼得·希格斯成為2013年諾貝爾實體學獎最熱門的人選之後，彼得·希格斯平靜的生活被打破了。無數記者的電話和不明來由的邀請找到了彼得·希格斯，而他認為自己的貢獻不值得被如此關注。
作為一個堅持簡單生活，甚至拒絕使用手機的人，預料到獲獎後将不得安甯，彼得·希格斯計劃提前前往一個清靜的地方躲避。因為預計獎項公布時間會是中午，于是當天上午11點，彼得·希格斯就離開家去一個海鮮酒吧吃午飯，又去看了藝術展。直到下午3點他在街上遇到以前的一個鄰居，鄰居興奮地停下車跟他說“我女兒告訴我您獲獎的事兒了”，他才得知自己獲諾貝爾獎的确切消息。
與此同時，遠在瑞典斯德哥爾摩的諾貝爾獎委員會急切地聯系每一個有可能知道彼得·希格斯行蹤的人。但是從同僚到朋友，沒有一個人能聯系到這位離開了家又不帶手機的老人。尋找彼得·希格斯本人像尋找希格斯粒子一樣困難，諾貝爾獎委員會在兩度推遲公布獲獎者之後，不得不在沒有通知獲獎者的情況下公布了獲獎名單。
新晉諾貝爾獎得主在與我們這些學生的交流中表現得十分輕松和平和。一位女學生拿出了事先列印好的他在1964年發表的預言希格斯粒子的論文，問他能不能在這張紙上寫點什麼。在得知了這位女學生的母親即将過生日之後，彼得·希格斯便在這張論文紙上寫下了生日祝福。這位一直保持謙卑的科學家如此平易近人，讓人印象深刻。
“後希格斯時代”
2012年的發現和2013年的諾貝爾獎，并不是關于希格斯粒子研究的終點，而是未來研究的開端。中微子為什麼有品質、最輕的基本粒子和最重的基本粒子間品質為什麼差了15個數量級、暗物質的品質從哪裡來、宇宙演化及其宿命與粒子品質的關系是怎樣的……宇宙有太多的謎題和品質有關系。而對這些問題的了解，離不開對希格斯粒子的深入研究。“後希格斯時代”，科學家将通過希格斯粒子這一全新觀測視窗，探索超出現有理論架構的新實體規律，為解開上述謎團提供關鍵資訊。
希格斯粒子被發現的同時也确定了其品質大約是125個GeV。這一條資訊決定了适合用來研究希格斯粒子的對撞機所需能量的多少。
科學家們發現，想要以最高的效率産生希格斯粒子，所需要的正負電子對撞機的能量是240個GeV左右。在這個能量之下，大量的正負電子對撞之後能夠産生一個希格斯粒子和一個傳遞弱核力的Z粒子，這一類粒子對撞機被稱作“希格斯粒子工廠”。而想要達到這一能量，以現有的技術，最經濟的方案是建設一個周長大約100公裡的環形對撞機。
2012年9月，在希格斯粒子被發現的兩個月後，中國科學家提出了在中國建造下一代正負電子對撞機的計劃。這個新的正負電子對撞機的主要運作能量就鎖定在了240個GeV。而歐洲也在不久後提出了類似的設想。目前，全世界有超過10個不同設計、不同技術路線的希格斯工廠倡議，其中相對成熟的、已發表概念設計報告的有4個。可見，國際粒子實體學界形成了建造下一代正負電子對撞機的共識。
2023年12月，經過10年的努力，中國科學家率先完成了建設下一代對撞機所需技術的系統性研究，釋出了中國版下一代正負電子對撞機的技術設計報告。2024年2月，歐洲科學家也釋出了歐洲版下一代正負電子對撞機的可行性分析中期報告。未來，對希格斯粒子的進一步研究将會為新實體理論的發展指明方向，這些研究将會幫助人類進一步了解宇宙。
希格斯粒子是粒子實體标準模型中最神秘、最引人入勝的粒子之一。從提出的那一刻開始，它就和數代粒子實體學家的人生軌迹緊密糾纏。無論多麼不舍，粒子實體學早期的創始者都在逐漸離我們遠去。今年，是希格斯機制理論提出後的第60年，彼得·希格斯也迎來了人生的謝幕。
雖然彼得·希格斯離開了我們，但是他謙遜的性格、嚴謹的科研精神仍然會影響我們這些後輩，他的理論也會繼續指導我們了解宇宙。圍繞一個個新生想法的萌芽，人類代際傳承，不懈努力，一點點抽絲剝繭，一點點厘清自然原理，探索的精神也是以薪火相傳。我們會在彼得·希格斯和其他粒子實體學家鋪就的道路上，繼續拓展人類對宇宙認知的極限。
（中國科學院高能實體研究所研究員阮曼奇、英國愛丁堡大學高豔彥博士對本文亦有貢獻）