撰文 | 粲先生（公號(hào)Charm_and_Beauty）

2012年7月4日，在歐洲核子研究中心的主報(bào)告廳里舉行了一場(chǎng)特別的報(bào)告會(huì)。

在這場(chǎng)報(bào)告會(huì)上，在歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC上運(yùn)行的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別宣布了他們的最新結(jié)果：他們同時(shí)發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子。

半個(gè)多世紀(jì)以前預(yù)言了希格斯粒子彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒也被邀請(qǐng)到了這場(chǎng)報(bào)告會(huì)的現(xiàn)場(chǎng)。

報(bào)告會(huì)的過(guò)程中，彼得·希格斯被媒體拍到時(shí)時(shí)擦拭眼角。顯然，這位時(shí)年83歲的老人有些激動(dòng)。

報(bào)告會(huì)上，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家們分別展示了他們最新分析到的數(shù)據(jù)，在公布最后的結(jié)果的時(shí)候，科學(xué)家激動(dòng)地向上揮拳，接受聽(tīng)眾們的歡呼，“終于，我們發(fā)現(xiàn)了它！”

這是一個(gè)幾乎全體粒子物理學(xué)家們期待了半個(gè)世紀(jì)的結(jié)果，幾位德高望重的理論物理學(xué)家們幾乎半個(gè)世紀(jì)前的研究成果終于被實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們所證實(shí)了。

為什么這個(gè)發(fā)現(xiàn)如此的令人激動(dòng)？因?yàn)?，在物理學(xué)最頂端的分支——粒子物理學(xué)幾十年的發(fā)展過(guò)程中，逐漸成立了一整套理論框架，這個(gè)框架被稱為粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。而這個(gè)框架下最底層的粒子幾乎都被發(fā)現(xiàn)了，希格斯粒子被認(rèn)為是最后一個(gè)最底層的粒子，所以也被人稱作是“標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖”。

現(xiàn)在，目前科學(xué)家們認(rèn)知中的標(biāo)準(zhǔn)模型大廈的最后一層框架也被搭建了起來(lái)。這一套粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的發(fā)展，凝聚了幾代人近一個(gè)世紀(jì)的心血。

泡利的疑惑

如果我問(wèn)你，這個(gè)世界上有多少種“力”？你可能會(huì)列舉“重力，摩擦力，磁力，壓力，浮力……好多好多！”但是如果要問(wèn)一個(gè)現(xiàn)代的粒子物理學(xué)家，世界上有多少種“力”，你得到的答案一定是四種：強(qiáng)核力（強(qiáng)相互作用）、弱核力（弱相互作用）、電磁力和萬(wàn)有引力。那么普通人眼中的力的種類(lèi)為什么和物理學(xué)家眼中的不一樣呢？那是因?yàn)?，除了重力?lái)源于萬(wàn)有引力之外，幾乎所有在生活中能感受得到的力本質(zhì)上都來(lái)自于電磁相互作用力。

你可能會(huì)有疑問(wèn)，那些不帶電的物體產(chǎn)生的力為什么本質(zhì)上也是來(lái)自電磁力呢？其實(shí)，像是摩擦力、壓力等等看似沒(méi)有電和磁參與的力，從微觀層面來(lái)看，都是分子之間的相互作用，而分子之間是通過(guò)它們本身的電磁場(chǎng)互相影響彼此的，所以，這些宏觀上不帶電和磁的力，從本源上來(lái)講其實(shí)還是電磁相互作用力。

那么，為什么我們看到的世界感受不到引力和電磁力之外的那兩種力呢？強(qiáng)核力，弱核力，它們究竟是什么？其實(shí)，就像它們的名字所暗示的那樣，強(qiáng)核力和弱核力的影響范圍都特別短，都只能在原子核內(nèi)部才能發(fā)揮作用，也都是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們通過(guò)對(duì)放射性衰變的分析才被發(fā)現(xiàn)的。強(qiáng)核力就像是橡皮筋一樣，拉住了因?yàn)閹е瑯拥碾姾啥ハ嗯懦獾脑雍藘?nèi)的粒子，而弱核力則是啟動(dòng)放射性衰變，以及恒星中氫聚變過(guò)程的一種力。

人類(lèi)最熟悉的基本作用力是萬(wàn)有引力，這也是在宇宙尺度上維系星體運(yùn)動(dòng)的最直觀的作用力。而由于上百年來(lái)電磁學(xué)以及電動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展，特別是19世紀(jì)中葉英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋總結(jié)了一組描述電場(chǎng)、磁場(chǎng)與電荷密度、電流密度之間關(guān)系的偏微分方程——麥克斯韋方程組之后，人類(lèi)已經(jīng)對(duì)于宏觀的電磁力以及它的傳播子光子有了深刻的了解。在二十世紀(jì)二十年代，赫爾曼·外爾在試圖統(tǒng)一廣義相對(duì)論和電磁學(xué)的時(shí)候?qū)Ⅺ溈怂鬼f方程組所描繪的場(chǎng)在數(shù)學(xué)上總結(jié)為了規(guī)范場(chǎng)。

這里規(guī)范場(chǎng)是指的滿足某種規(guī)范變換不變性的物質(zhì)場(chǎng)。舉一個(gè)例子：我們熟悉的地球引力。在地球附近的引力場(chǎng)中舉起一個(gè)蘋(píng)果，那么地球引力給蘋(píng)果所帶來(lái)的重力勢(shì)能的大小會(huì)因?yàn)榱泓c(diǎn)的選擇的不同而不同，因此重力勢(shì)能分布就不是一個(gè)規(guī)范場(chǎng)。但是不論重力勢(shì)能的零點(diǎn)如何選取，在固定位置蘋(píng)果所受的重力的大小是確定的，因此重力場(chǎng)才是規(guī)范場(chǎng)。類(lèi)似地，電磁場(chǎng)也是規(guī)范場(chǎng)。

然而，不同于這類(lèi)能夠輕易觀測(cè)到宏觀效應(yīng)的引力和電磁力，人類(lèi)對(duì)于另外兩種基本作用力的認(rèn)知過(guò)程則艱難得多。因?yàn)閷?duì)另外兩種力的研究一開(kāi)始都只能在放射性衰變這樣的看不見(jiàn)摸不著的反應(yīng)中才能進(jìn)行。

在19世紀(jì)末放射性元素被發(fā)現(xiàn)之后，歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）和約瑟夫·湯姆孫（Joseph Thomson）通過(guò)在磁場(chǎng)中研究鈾的放射線偏轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)鈾的放射線有帶正電的、帶負(fù)電的和不帶電的三種。他們把這三種射線分別稱為α射線、β射線和γ射線，相應(yīng)地發(fā)出α射線和β射線的衰變過(guò)程也就被命名為α衰變和β衰變。

1930年的物理學(xué)界，人們?cè)谟懻撘粋€(gè)嚴(yán)肅的問(wèn)題，β衰變中能量、動(dòng)量以及自旋角動(dòng)量到底守不守恒，因?yàn)樵谀菚r(shí)實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的β衰變的能量譜線總是呈現(xiàn)出一種彌散的狀態(tài)，無(wú)法給出一個(gè)確定的能量值。這個(gè)問(wèn)題如此的深刻地觸及到了基本守恒律，幾乎動(dòng)搖了千百年來(lái)的物理學(xué)基石。但是在那個(gè)年代，相對(duì)論、量子理論的發(fā)展已經(jīng)將物理學(xué)家的世界觀打碎了一次又一次了，人們已經(jīng)開(kāi)始在謹(jǐn)慎地考慮守恒律也被打破的可能性了。

但是時(shí)年僅三十歲的奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇╓olfgang Pauli）是守恒律的堅(jiān)定信徒，他為了解釋這個(gè)問(wèn)題，提出了一個(gè)假設(shè)：他認(rèn)為，在β衰變的過(guò)程中，除了實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的帶電粒子射線之外，還有一束不帶電的粒子射線。這類(lèi)粒子如此之小又如此之孤僻，以至于當(dāng)時(shí)的各種探測(cè)器都無(wú)法觀測(cè)到它，這種粒子就是中微子（泡利最初將其稱之為“中子”，但是在兩年之后詹姆斯·查德維克（James Chadwick）發(fā)現(xiàn)了真正的中子之后，恩里科·費(fèi)米（Enrico Fermi）和泡利重新將其命名為“中微子”）。這也是歷史上第一次有弱核力參與的衰變過(guò)程的表達(dá)式被完整地寫(xiě)出。

幾年之后的1935年，為了解釋原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子是如何被束縛在一起的，日本科學(xué)家湯川秀樹(shù)提出了強(qiáng)核力的理論。

沃爾夫?qū)づ堇?/p>

在那之后的二十年，物理學(xué)界對(duì)強(qiáng)核力、弱核力進(jìn)行了更加深入的研究。時(shí)間到了1953年，科學(xué)家們想要仿照麥克斯韋方程組，寫(xiě)出描述核子、介子以及它們的相互作用的方程。此時(shí)長(zhǎng)期研究規(guī)范場(chǎng)的泡利首先取得了一些突破，他通過(guò)純粹的數(shù)學(xué)工具嚴(yán)謹(jǐn)?shù)赝茖?dǎo)出了一條能夠統(tǒng)一描述電磁力場(chǎng)和核力場(chǎng)的非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)方程。

上文中“阿貝爾”則是指這種規(guī)范場(chǎng)滿足“阿貝爾群”的條件。尼爾斯·阿貝爾（Niels Abel）本是一位英年早逝的挪威天才數(shù)學(xué)家，在他僅僅26年的人生中，阿貝爾在多個(gè)數(shù)學(xué)領(lǐng)域都做出了杰出貢獻(xiàn)，其中之一就是具有交換性質(zhì)的一類(lèi)群。為了紀(jì)念這位數(shù)學(xué)家，可交換的群也被稱為了阿貝爾群。對(duì)于某類(lèi)規(guī)范場(chǎng)的某種變換來(lái)說(shuō)，如果連續(xù)作兩次變換的結(jié)果與順序無(wú)關(guān)，在數(shù)學(xué)上就叫阿貝爾的，否則就叫非阿貝爾的。舉例子來(lái)說(shuō)，我們熟知的加法，1+2+3=1+3+2，計(jì)算的結(jié)果和計(jì)算的順序無(wú)關(guān)，所以加法就屬于阿貝爾群。然而在三維空間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)則會(huì)有不一樣的結(jié)果，例如下圖是華裔物理學(xué)家徐一鴻（Anthony Zee）在他的科普著作《Fearful Symmetry（可畏的對(duì)稱）》一書(shū)中所舉的例子，一個(gè)海軍新兵按照軍官的要求，先以豎直軸向右旋轉(zhuǎn)90度后再以水平軸向右旋轉(zhuǎn)90度所呈現(xiàn)的狀態(tài)，與交換這兩條命令的順序后所呈現(xiàn)的狀態(tài)不同，因此三維空間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)就不屬于阿貝爾群的操作。

電磁力在數(shù)學(xué)上滿足阿貝爾規(guī)范場(chǎng)的形式，而核力的相互作用則呈現(xiàn)了非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)的形式。

此時(shí)的泡利已經(jīng)53歲，知名于“泡利不相容原理”等理論、年少成名的他此刻已是載譽(yù)滿身的大科學(xué)家，被學(xué)界稱為“物理學(xué)的良心”和“上帝的鞭子”。雖然他寫(xiě)出的非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)方程在數(shù)學(xué)上很美，但是他意識(shí)到這條方程在物理上還存在著致命的缺陷，那就是方程存在發(fā)散項(xiàng)，這意味著這條方程預(yù)示著規(guī)范場(chǎng)必須存在質(zhì)量為零的傳遞相互作用的規(guī)范粒子來(lái)維系方程的關(guān)系。然而，質(zhì)量為零的規(guī)范粒子就意味著它傳遞的相互作用力應(yīng)該是長(zhǎng)程力，應(yīng)該在無(wú)限長(zhǎng)的距離外都能接收到它的力的作用，這和現(xiàn)實(shí)中發(fā)現(xiàn)的短程力核力相矛盾。因此，泡利認(rèn)識(shí)到他的理論“導(dǎo)致了一些相當(dāng)不實(shí)際的陰影粒子”，所以治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃皇窃趲讏?chǎng)報(bào)告會(huì)上談?wù)摿诉@個(gè)理論，但是選擇了不發(fā)表這項(xiàng)成果。

可是在這之后的第二年，一位三十出頭的中國(guó)人和他的美國(guó)合作者也寫(xiě)下了一條類(lèi)似的方程，他們希望這條方程能夠描述強(qiáng)核力。不同于謹(jǐn)小慎微的泡利，這個(gè)年輕的中國(guó)人選擇將他的研究結(jié)果快速地發(fā)表了出來(lái)，并且開(kāi)始了學(xué)術(shù)圈內(nèi)的宣傳。

1954年，這位年輕的中國(guó)人在普林斯頓做了一場(chǎng)關(guān)于這條方程的學(xué)術(shù)報(bào)告，而這場(chǎng)報(bào)告的會(huì)場(chǎng)里大師云集，儼然是一場(chǎng)華山論劍。其中，這里面就坐著前一年寫(xiě)出過(guò)同樣概念的方程的泡利。當(dāng)年輕的中國(guó)人在黑板上寫(xiě)下了他的新發(fā)現(xiàn)之后，卻被坐在臺(tái)下的泡利打斷道：“方程描述的這個(gè)場(chǎng)的質(zhì)量是什么？”泡利的問(wèn)題簡(jiǎn)單卻深刻，卻像是內(nèi)力渾厚的一陽(yáng)指直戳了這條理論的軟肋：它無(wú)法描述現(xiàn)實(shí)中有質(zhì)量的粒子，而這一點(diǎn)泡利自己再清楚不過(guò)了。泡利本希望能見(jiàn)證一場(chǎng)精彩的見(jiàn)招拆招，但是中國(guó)人只尷尬地回答道：“我不知道……”

質(zhì)量！質(zhì)量到底到哪里去了？這是泡利最關(guān)心的問(wèn)題。沒(méi)有解決粒子質(zhì)量的來(lái)源問(wèn)題，一切美好的方程都是紙上談兵。不出意外，這個(gè)年輕的中國(guó)人寫(xiě)出的方程在發(fā)表之后當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起學(xué)界的重視，這條理論在那之后的一段時(shí)間都被束之高閣。

這個(gè)年輕的中國(guó)人就是楊振寧，這條由泡利最先寫(xiě)出，后來(lái)被楊振寧和他的合作者羅伯特·米爾斯（Robert Mills）重新發(fā)現(xiàn)的方程因楊振寧和米爾斯選擇了發(fā)表而日后被一些人稱作楊-米爾斯方程。

只是當(dāng)時(shí)的泡利、楊振寧和米爾斯可能都沒(méi)有料想到，多年以后，這條本有缺陷的方程所描述的規(guī)范對(duì)稱性竟成為了標(biāo)準(zhǔn)模型的基石之一。

基本粒子的“元素周期表”

不同于泡利等人癡迷于研究物質(zhì)間的相互作用，有另一批科學(xué)家此刻正沉迷于研究物質(zhì)本身。

我們知道，這個(gè)世界上所有的宏觀物體都是由無(wú)數(shù)的微小的叫做原子的粒子組成的。而原子則是由一個(gè)位于其中心極小的空間上的原子核和若干個(gè)在核外空曠的空間內(nèi)繞核運(yùn)動(dòng)的電子組成。原子核內(nèi)包含若干個(gè)緊密結(jié)合在一起的質(zhì)子和中子，這些原子核內(nèi)質(zhì)子和中子不同的數(shù)目就決定了不同的原子有不同的物理性質(zhì)。我們所熟悉的氧、碳、氫等等不同的原子就是靠它們?cè)雍藘?nèi)質(zhì)子的數(shù)量不同而表現(xiàn)出了不同的性質(zhì)。

但是質(zhì)子和中子就是組成物質(zhì)的最小結(jié)構(gòu)了嗎？科學(xué)家們對(duì)此的認(rèn)知逐漸隨實(shí)驗(yàn)進(jìn)展而產(chǎn)生了變化。在上個(gè)世紀(jì)五十年代，研究微觀粒子實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，有少量的一些粒子表現(xiàn)非常奇怪，壽命比其他粒子長(zhǎng)得多。

為了解釋這些粒子的奇怪現(xiàn)象，在上個(gè)世紀(jì)六十年代初，以莫里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）為代表的粒子物理學(xué)家提出了夸克模型的概念，認(rèn)為絕大多數(shù)粒子都只含有上夸克（up quark）和下夸克（down quark），而這些表現(xiàn)奇異的粒子的結(jié)構(gòu)中則含有另一種與下夸克電荷一致的成分——“奇異夸克”（strange quark）。雖然這樣一個(gè)包含三種夸克的夸克模型成功地描述了上個(gè)世紀(jì)六十年代所發(fā)現(xiàn)的幾乎所有基本粒子的物理性質(zhì)，然而這種帶有分?jǐn)?shù)電荷的假設(shè)無(wú)論如何在那個(gè)年代看來(lái)都有些許的瘋狂。

或許是為了淡化這一瘋狂設(shè)想的嚴(yán)肅性，蓋爾曼選擇了用一個(gè)模仿鴨子叫聲的荒誕名稱“夸克”來(lái)命名他設(shè)想的粒子。甚至，在他提出夸克理論之初，他自己也只對(duì)他設(shè)想的粒子的名字設(shè)想好了發(fā)音，都沒(méi)有一個(gè)固定的拼寫(xiě)。

在同一個(gè)時(shí)代，著名的物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）為了理解基本粒子的行為和分類(lèi)提出了另外一種模型，叫做“部分子模型”?？淇四Ｐ团c部分子模型都可以解釋一些粒子分類(lèi)上的問(wèn)題，所以直到在這之后的上個(gè)世紀(jì)六十年代末，粒子物理學(xué)界都還沒(méi)有完全接納夸克模型， 連夸克模型的提出者蓋爾曼都一直保持著謹(jǐn)慎小心的態(tài)度，表示夸克模型只是一個(gè)數(shù)學(xué)模型，并試圖模糊化處理夸克是否真實(shí)存在的話題。甚至在斯坦福直線加速器中心（SLAC）在1968年發(fā)現(xiàn)質(zhì)子內(nèi)確實(shí)存在更深層次的次級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)，科學(xué)家們?nèi)匀桓敢庀嘈疟话l(fā)現(xiàn)的次級(jí)結(jié)構(gòu)是部分子而非夸克。

那么事情是如何出現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)的呢？夸克模型究竟是如何成為了粒子物理學(xué)家們的共識(shí)的呢？

在蓋爾曼提出夸克模型后不久，謝爾頓·格拉肖（Sheldon Glashow）和詹姆斯·比約肯（James Bjorken）在蓋爾曼的包含三種夸克的模型之上提出了第四種夸克存在的假設(shè)，格拉肖和比約肯把這個(gè)他們構(gòu)想中的第四種夸克命名為“charm”。charm這個(gè)詞有“魔力，魅力，吸引力”的意思，格拉肖認(rèn)為charm夸克的魅力可以讓夸克模型更加的完善。

我國(guó)著名的物理學(xué)家，曾教授過(guò)李政道、楊振寧等人的王竹溪先生把這類(lèi)夸克的中文名翻譯為“粲夸克”，“粲”這個(gè)字的意思有“美，鮮明”的意思，既和英文charm的發(fā)音相似，又表達(dá)了類(lèi)似于英文原詞的含義。而在如中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)等中文圈的其他地區(qū)，charm夸克則被更直白地翻譯成了“魅夸克”。

格拉肖和比約肯似乎是對(duì)數(shù)學(xué)上對(duì)稱美的極致追求者，他們認(rèn)為在蓋爾曼等人的模型中既然有一個(gè)與下夸克類(lèi)似的奇異夸克，那么就應(yīng)該會(huì)有另一個(gè)和上夸克類(lèi)似的夸克，不但如此，新的夸克的加入還能使得自然界最基本的相互作用之一的弱相互作用得到更好的描述。然而，他們的猜測(cè)在當(dāng)時(shí)并未受到重視。

真正使得粲夸克的假設(shè)被更多的人重視起來(lái)的是1970年由格拉肖、約翰·李爾普羅斯（John Iliopoulos）和盧奇亞諾·梅安尼（Luciano Maiani）一起撰寫(xiě)的一篇論文，在這篇論文里他們一起提出更多粲夸克存在的依據(jù)。這篇論文中的理論觀點(diǎn)后來(lái)就被以他們?nèi)说男盏氖鬃帜竵?lái)命名，被稱為GIM機(jī)制。格拉肖對(duì)于粲夸克理論非常有信心，他甚至在一場(chǎng)于1974年舉辦的國(guó)際會(huì)議里立下flag，如果在兩年內(nèi)找不到粲夸克，他就會(huì)把他的帽子吃掉！

事情果然沒(méi)有讓格拉肖失望。就在他立下吃帽子賭局之后不久，幾個(gè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)就發(fā)現(xiàn)了一些有趣的新結(jié)果。1974年9月，位于美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的丁肇中實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)利用將高能量質(zhì)子朝著鈹標(biāo)靶射擊，并從碰撞產(chǎn)物中，尋找正負(fù)電子對(duì)的方法，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇特的信號(hào)：他們發(fā)現(xiàn)，總能量為31億電子伏特的正負(fù)電子對(duì)出現(xiàn)頻率非常多，這意味著一種帶有31億電子伏特的質(zhì)量的新粒子被大規(guī)模地產(chǎn)生了出來(lái)。在粒子物理學(xué)家看來(lái)，質(zhì)量與能量是等價(jià)的，而31億電子伏特的能量相當(dāng)于一個(gè)電子在31億伏特的電壓下所獲得的能量。丁肇中的學(xué)術(shù)聲譽(yù)非常好，做實(shí)驗(yàn)非常小心謹(jǐn)慎，他不愿意冒進(jìn)發(fā)表任何可能有錯(cuò)誤的結(jié)果。由于在粒子物理實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常會(huì)有因儀器原因?qū)е碌母蓴_信號(hào)，在尚不能確定這實(shí)驗(yàn)結(jié)果不是某種錯(cuò)誤電子信號(hào)之前，丁肇中團(tuán)隊(duì)都在秘密地分析核對(duì)他們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

與此同時(shí)，在美國(guó)斯坦福直線加速器中心 ，伯頓·里克特（Burton Richter）的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)與建成了一種新型對(duì)撞機(jī)——斯坦福正負(fù)電子非對(duì)稱環(huán)（SPEAR），在這臺(tái)對(duì)撞機(jī)里，電子與正電子以相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)與碰撞。1974年11月10日，他們?cè)?1.05億電子伏特的能量上也找到很多粒子被產(chǎn)生出來(lái)的事件，同樣，這意味著一種新粒子存在的跡象，他們將這個(gè)新粒子命名為“ψ介子”。里克特迫不及待地想要將這項(xiàng)成果公諸于世，于是他們決定，在第二天發(fā)布這個(gè)消息。

無(wú)巧不成書(shū)，11月10日，就在里克特的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們新結(jié)果的當(dāng)天，本來(lái)遠(yuǎn)在美國(guó)東海岸的丁肇中恰巧到了美國(guó)西海岸的斯坦福直線加速器中心開(kāi)會(huì)。在這里，丁肇中得知里克特實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)新粒子的消息后，發(fā)現(xiàn)里克特團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的新粒子與自己團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的新粒子的質(zhì)量如此接近，他不得不懷疑兩個(gè)團(tuán)隊(duì)是不是發(fā)現(xiàn)了同一種粒子。于是丁肇中決定不再猶豫，立刻也要將自己團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)公諸于世，并且將他們發(fā)現(xiàn)的粒子命名為“J介子”。

11月11日早上8點(diǎn)鐘，丁肇中與里克特在SLAC實(shí)驗(yàn)室主任辦公室會(huì)面。雙方對(duì)對(duì)方團(tuán)隊(duì)的新發(fā)現(xiàn)都表示了祝賀。經(jīng)過(guò)一番溝通后，他們才確定了他們發(fā)現(xiàn)的新粒子果然是同樣一種粒子。于是，他們立刻將他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別公之于眾，并寫(xiě)成兩份報(bào)告，同時(shí)發(fā)表在了《物理評(píng)論快報(bào)》的12月份期刊。因?yàn)閮蓚€(gè)團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)并命名了新粒子，為了使得兩人的貢獻(xiàn)都得到認(rèn)可，學(xué)界將這個(gè)粒子命名為J/ψ粒子，這也是基本粒子家族中唯一一個(gè)由兩個(gè)字母名字組成的粒子名字。

J/ψ粒子的性質(zhì)不同于以往發(fā)現(xiàn)的任何粒子，以至于只有格拉肖和比約肯在夸克模型下預(yù)言的粲夸克才能合理地解釋J/ψ粒子的存在。事實(shí)上，J/ψ粒子是由一個(gè)粲夸克與一個(gè)反粲夸克共同組成。J/ψ粒子的發(fā)現(xiàn)在粒子物理學(xué)界里引起一場(chǎng)不大不小的革命，后來(lái)被稱為“十一月革命”，因?yàn)樗馕吨淇四Ｐ屠碚摬⒉皇羌埳峡照?，由于粲夸克的發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)子被證實(shí)是由夸克組成。

然而這并不是夸克發(fā)現(xiàn)故事的結(jié)束。在丁肇中與里克特忙于加速器和對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，另一批科學(xué)家在另外的領(lǐng)域的研究表明，夸克的數(shù)量比格拉肖和比約肯相信的還要多。

早在1956年，為了解釋兩種質(zhì)量和壽命相同，看起來(lái)像是同一種的粒子的θ+粒子和τ+粒子（后來(lái)被證實(shí)其實(shí)就是同一種粒子，現(xiàn)在叫做K+介子），卻有著不同的宇稱量子數(shù)和不同的衰變產(chǎn)物，李政道和楊振寧提出，在弱相互作用中，微觀的粒子的行為可能不存在宇稱量子數(shù)的守恒。宇稱的守恒對(duì)應(yīng)的對(duì)稱性是“左”和“右”的對(duì)稱，李政道和楊振寧的推測(cè)也就是說(shuō)在微觀世界中，“左”和“右”的物理規(guī)律并不完全相等同。

這個(gè)推測(cè)在當(dāng)時(shí)的年代頗具震撼力，打破了被千百年來(lái)人類(lèi)視為金科玉律的觀念。第二年，華裔科學(xué)家吳健雄女士等科學(xué)家在對(duì)鈷60（60Co）衰變的觀測(cè)中證實(shí)了這項(xiàng)推測(cè)，她利用兩套裝置中互為鏡像的鈷60設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉(zhuǎn)向左旋，另一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉(zhuǎn)向右旋，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在極低溫的情況下兩套裝置中放射出來(lái)的電子數(shù)有很大差異，進(jìn)而證實(shí)了李政道和楊振寧的假說(shuō)。同年，李政道和楊振寧因?yàn)檫@一項(xiàng)劃時(shí)代的假說(shuō)，獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在弱相互作用下的宇稱的對(duì)稱性破缺被發(fā)現(xiàn)后不久，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)在弱相互作用下，電荷共軛的對(duì)稱性也是破缺的。此時(shí)，列夫·朗道（Lev Landau）以及李政道和楊振寧認(rèn)為，電荷－宇稱（C-P）兩個(gè)量子數(shù)的聯(lián)合，應(yīng)該保持著良好的對(duì)稱性。電荷－宇稱對(duì)稱性的守恒可以使得粒子和反粒子遵循著相同的物理規(guī)律。

而在1964年，科學(xué)家們?cè)诤衅娈惪淇说慕樽铀プ冎?，發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)更加“奇異”更加難以讓人接受的事實(shí)：電荷－宇稱聯(lián)合的對(duì)稱性似乎也不守恒。在電中性K介子的衰變中，詹姆斯·克羅寧（Jim Cronin）和瓦爾·菲奇（Val Fitch）發(fā)現(xiàn)，本應(yīng)衰變成三個(gè)π介子的長(zhǎng)壽命K介子，卻有一些衰變成了兩個(gè)π介子。這種衰變模式是電荷－宇稱對(duì)稱性的守恒所不允許的?？肆_寧和菲奇的研究結(jié)果再一次給理論界帶來(lái)了巨大的沖擊，也為他們帶來(lái)了1980年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

為了解釋電荷－宇稱對(duì)稱性的破缺，1973年，在意大利物理學(xué)家尼古拉·卡比博（Nicola Cabibbo）的研究的基礎(chǔ)上，日本科學(xué)家小林誠(chéng)和益川敏英建立了卡比博－小林－益川矩陣，給出了電荷－宇稱對(duì)稱性的破缺存在的必要條件，并在當(dāng)時(shí)只發(fā)現(xiàn)了三個(gè)夸克的情況下預(yù)言了六個(gè)夸克的存在。之后，底夸克與頂夸克分別于1977年和1995年在粒子加速器中被發(fā)現(xiàn)。至此，夸克的六種“味道”被全部發(fā)現(xiàn)，夸克模型被完整呈現(xiàn)。日后夸克模型也成為了標(biāo)準(zhǔn)模型的基石之一。

小林誠(chéng)（左）和益川敏英（右）

質(zhì)量，質(zhì)量！

一枚曲別針的質(zhì)量大約是1克，三聽(tīng)可樂(lè)的質(zhì)量大約是1千克。生活中所見(jiàn)的物體都有質(zhì)量，這似乎是再尋常不過(guò)的事情了。但是對(duì)于粒子物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這似乎并不是必然的。

沒(méi)有質(zhì)量的傳遞力的粒子可以以光速傳播到無(wú)限遠(yuǎn)，而作用距離不是無(wú)限遠(yuǎn)的力就說(shuō)明它的傳播粒子有質(zhì)量。

設(shè)想一個(gè)由無(wú)限多個(gè)海軍新兵參加的軍訓(xùn)中進(jìn)行轉(zhuǎn)向練習(xí)的場(chǎng)面。這一次的教官不像前文中的那個(gè)讓新兵三維旋轉(zhuǎn)的教官那樣惡趣味，新教官不會(huì)要求新兵做沿水平軸旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作，但是新教官的嗓子有時(shí)候不太好。在轉(zhuǎn)向練習(xí)開(kāi)始之前，所有的軍訓(xùn)新兵都按照既定的格子列隊(duì)站好，面向主席臺(tái)。此時(shí)假如我們的視角向左或向右平移一個(gè)格，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)平移后的隊(duì)列以及所有人的朝向和平移之前完全一樣。此時(shí)這個(gè)平移操作就是這個(gè)例子中的“規(guī)范”，而平移前后狀態(tài)相同則是這個(gè)例子中的“規(guī)范的對(duì)稱性”。

假如主席臺(tái)上的教官此時(shí)大喊了一聲“向左轉(zhuǎn)”，那么在這個(gè)隊(duì)列中所有的新兵都會(huì)同時(shí)轉(zhuǎn)向。所有的新兵都能主動(dòng)地完成教官要求的動(dòng)作，不需要和其他新兵交流。此時(shí)這個(gè)軍訓(xùn)陣列就好比是質(zhì)量為零的規(guī)范粒子。

假如主席臺(tái)上的教官喊了轉(zhuǎn)向的口號(hào)，但是教官的擴(kuò)音器突然發(fā)出電流聲，以至于陣列中所有新兵都聽(tīng)到了教官下達(dá)了一條轉(zhuǎn)向指令，但是沒(méi)有人聽(tīng)清教官到底是要新兵們向左轉(zhuǎn)還是向右轉(zhuǎn)。這時(shí)如果新兵們都是謹(jǐn)小慎微的，他們就會(huì)悄悄地觀察自己的左右，看臨近的其他新兵向哪個(gè)方向轉(zhuǎn)向。此刻假如所有的新兵都還沒(méi)有轉(zhuǎn)向，那么所有的新兵其實(shí)此刻的內(nèi)心都是蠢蠢欲動(dòng)，做好了隨時(shí)做動(dòng)作的準(zhǔn)備的。這時(shí)的系統(tǒng)就達(dá)到了一種不穩(wěn)定平衡，此時(shí)一旦有一個(gè)新兵咬咬牙，決定了隨便往一個(gè)方向轉(zhuǎn)向，比如說(shuō)，他決定左轉(zhuǎn)，那么一旦他向左轉(zhuǎn)身，從他周?chē)男卤_(kāi)始，陣列中的所有人都會(huì)依次左轉(zhuǎn)，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)立刻地將左轉(zhuǎn)的狀態(tài)傳遞到無(wú)限遠(yuǎn)并且變成一個(gè)新的穩(wěn)定的狀態(tài)，而這個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)依然有著新的規(guī)范對(duì)稱性。這時(shí)這個(gè)軍訓(xùn)陣列就好比是質(zhì)量為零的規(guī)范粒子激發(fā)了一個(gè)場(chǎng)，傳遞了一個(gè)作用范圍無(wú)限長(zhǎng)的作用力。

但是，假如陣列中的所有新兵突然都變得非常有主見(jiàn)，一旦聽(tīng)不清轉(zhuǎn)向口號(hào)都會(huì)自己決定向左轉(zhuǎn)還是向右轉(zhuǎn)，那么整個(gè)陣列就會(huì)陷入一種混亂，向左向右轉(zhuǎn)向的新兵都有，任何一種轉(zhuǎn)向狀態(tài)都無(wú)法長(zhǎng)距離地傳遞到遠(yuǎn)方，并且轉(zhuǎn)向后只能與陣列中最鄰近的新兵發(fā)生相互作用（相鄰新兵轉(zhuǎn)向后發(fā)現(xiàn)兩人呈現(xiàn)了面對(duì)面的狀態(tài)，一定會(huì)面露尷尬）， 這就好比是規(guī)范粒子只能傳遞短距離的作用力。這時(shí)，整個(gè)陣列的規(guī)范對(duì)稱性就被自發(fā)性地被破壞掉了，而傳遞狀態(tài)的“粒子”也因無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)距離傳播而改變了自己的性質(zhì)，物理上講，就是獲得了質(zhì)量。

然而這個(gè)陣列由“秩序”變到“混亂”之后，每個(gè)新兵的內(nèi)心都得到安寧了嗎？并不會(huì)。每個(gè)人很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)周?chē)幕靵y，他們的內(nèi)心也會(huì)是波動(dòng)的，說(shuō)不定也會(huì)在現(xiàn)有的位置做微小的晃動(dòng)。這就像是一個(gè)小球從墨西哥帽形狀的中間頂峰向下滑落，但是最終并沒(méi)有停在帽檐上的最低點(diǎn)，而是在在最低點(diǎn)附近做微小振動(dòng)。這種振動(dòng)本身說(shuō)明在此處還有一個(gè)新的場(chǎng)，而這個(gè)場(chǎng)，就是傳說(shuō)中的“希格斯場(chǎng)”，激發(fā)這種場(chǎng)的粒子，也就是那些新兵的“主見(jiàn)”，就是“希格斯粒子”。

在前文中泡利、楊振寧、米爾斯等人的眼中，這些海軍新兵都應(yīng)該是謹(jǐn)小慎微的，都會(huì)自覺(jué)地維護(hù)著系統(tǒng)的對(duì)稱性。因此，他們的傳播子應(yīng)該都沒(méi)有質(zhì)量。但是核力傳播距離有限的事實(shí)又表明，這些傳播子確實(shí)是有質(zhì)量的。許多年來(lái)，這種矛盾一直困惑著粒子物理學(xué)界。

直到1964年，有三篇文章卻指出，這些新兵或許都非常的有“主見(jiàn)”，會(huì)使得對(duì)稱性自發(fā)破缺，從而創(chuàng)造出“質(zhì)量”來(lái)，進(jìn)而從機(jī)制上解決前文的矛盾。這一機(jī)制就是希格斯機(jī)制。

有趣的是，為這種機(jī)制冠名的物理學(xué)家彼得·希格斯（Peter Higgs）并不是唯一和最早發(fā)現(xiàn)這種機(jī)制的。1964年8月，弗朗索瓦·恩格勒（Fran?ois Englert）和羅伯特·布繞特（Robert Brout）首先發(fā)表了一篇關(guān)于這種機(jī)制的文章，緊接著，彼得·希格斯在10月份，杰拉德·古拉尼（Gerald Guralnik）、卡爾·哈庚（Carl Hagen）和湯姆·基博爾（Tom Kibble）在11月份也分別獨(dú)立發(fā)表了類(lèi)似的機(jī)制，因此，這種機(jī)制也最早被人稱作“恩格勒-布繞特-希格斯-古拉尼-哈庚-基博爾機(jī)制”。然而由于歷史上的機(jī)緣巧合，希格斯成為了這些天才大腦中最幸運(yùn)的人，如今這種機(jī)制被更多的人稱作希格斯機(jī)制。

希格斯機(jī)制解決了質(zhì)量起源問(wèn)題，但同時(shí)也帶來(lái)了新的問(wèn)題，那就是，有希格斯場(chǎng)的存在，那就應(yīng)該有希格斯粒子的存在。

關(guān)于希格斯粒子，歷史上還曾有過(guò)另一個(gè)精彩的描述。

在1993年，為弄清在歐洲核子研究中心大家都在盡力尋找的希格斯粒子到底是什么東西，英國(guó)的科學(xué)大臣威廉·瓦德格雷夫（William Waldegrave）曾發(fā)起過(guò)一項(xiàng)挑戰(zhàn)，就是給他講清楚希格斯機(jī)制是怎么回事，而獎(jiǎng)品是一瓶上好的香檳。瓦德格雷夫本人并沒(méi)有粒子物理學(xué)基礎(chǔ)，所以高深的公式他并不懂，因此，想要贏得挑戰(zhàn)就必須要講好一個(gè)形象的故事。最終，倫敦大學(xué)學(xué)院的粒子物理學(xué)家大衛(wèi)·米勒（David J Miller）想出來(lái)一個(gè)描述并最終贏得了這瓶香檳。

米勒描述了這樣一種情況：假如在一個(gè)雞尾酒會(huì)上，大家都在自由地交談。此時(shí)的所有人就是分布在空間的希格斯場(chǎng)。這時(shí)一個(gè)無(wú)名小輩走入了酒會(huì)，那么沒(méi)有人會(huì)注意到他，他可以自由地在酒會(huì)上穿梭，并且可以隨意地改變行動(dòng)方向。這時(shí)，這位無(wú)名小輩在酒會(huì)上的運(yùn)動(dòng)就像是一個(gè)無(wú)質(zhì)量的粒子。

但是假如此時(shí)一位名人（比如撒切爾夫人或者愛(ài)因斯坦）走入了房間，那么酒會(huì)上的人就會(huì)迅速地注意到這位名人，并圍上來(lái)。這時(shí)的撒切爾夫人或者愛(ài)因斯坦就只能緩慢地移動(dòng)，并且難以改變方向。這時(shí)這位名人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，就像一個(gè)有質(zhì)量的粒子。

但是，假如這時(shí)候沒(méi)有人進(jìn)入房間，只是門(mén)口有個(gè)人悄悄地講了一個(gè)傳聞，聽(tīng)到這個(gè)傳聞的人都會(huì)非常主動(dòng)地把這個(gè)傳聞講給屋里其他的人聽(tīng)，這時(shí)屋里就會(huì)聚集起一小團(tuán)聽(tīng)傳聞的人群。當(dāng)一個(gè)人講完這條傳聞之后，聽(tīng)到傳聞的人總有一個(gè)會(huì)把這條傳聞繼續(xù)傳播下去。這樣，雖然每個(gè)人聽(tīng)完傳聞之后就回到了自由交談的狀態(tài)，但是這條傳聞會(huì)隨著一小團(tuán)變動(dòng)的人群繼續(xù)移動(dòng)下去。就像是聚集的人群能給撒切爾夫人或者愛(ài)因斯坦賦予質(zhì)量一樣，這一小團(tuán)聚集的人群也給自身賦予了質(zhì)量。這時(shí)，這一小團(tuán)聚集的人群就是一個(gè)希格斯粒子。

希格斯粒子像是一把鑰匙，可以將楊-米爾斯方程中被盒子緊鎖著的質(zhì)量釋放出來(lái)。

希格斯粒子和希格斯機(jī)制，如同楊-米爾斯方程，以及夸克模型一樣，成為了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的第三塊基石。然而這塊基石在它提出之后的將近半個(gè)世紀(jì)都一直沒(méi)有穩(wěn)固。因?yàn)?，半個(gè)世紀(jì)內(nèi)，幾代科學(xué)家們的努力都沒(méi)有找到這把鑰匙。

錯(cuò)失良機(jī)的SSC

在標(biāo)準(zhǔn)模型三大基石集齊之后，格拉肖、阿卜杜勒·薩拉姆（Abdus Salam）、以及史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）等人在統(tǒng)一電磁力和弱核力的嘗試中，逐漸地將這三大基石融合，畫(huà)出了標(biāo)準(zhǔn)模型的基本藍(lán)圖。

標(biāo)準(zhǔn)模型成為了能夠描述基本微觀粒子以及他們之間電磁力、強(qiáng)核力、弱核力這些相互作用的基本假設(shè)。

然而，不管理論有多美，一個(gè)未經(jīng)完整證實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)模型依然只是一個(gè)空中樓閣。只有被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)的理論才是真理。

此時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)模型的藍(lán)圖雖然在手，要想按圖索驥，證明它，粒子物理學(xué)家們還需要工具。

工欲善其事，必先利其器。

想要尋找這些粒子，粒子物理學(xué)家最趁手的工具就是對(duì)撞機(jī)。

對(duì)撞機(jī)是一類(lèi)研究粒子物理學(xué)的科學(xué)家們使用的科研儀器，是可以將人類(lèi)認(rèn)知深入到小于原子尺度的微觀世界的超級(jí)顯微鏡。

對(duì)撞機(jī)會(huì)將電子、質(zhì)子或者重離子等微觀粒子進(jìn)行加速，使他們以接近光速的速度在管道內(nèi)運(yùn)行，隨后兩束粒子在探測(cè)器內(nèi)以極高的能量進(jìn)行聚焦和對(duì)撞。相向而來(lái)的兩個(gè)粒子在對(duì)撞的瞬間經(jīng)歷了極其復(fù)雜的物理過(guò)程，產(chǎn)生大量的攜帶了高能量的新粒子。隨后這些新粒子會(huì)向四周的空間噴射，并被圍繞在對(duì)撞點(diǎn)的探測(cè)器所接收到。

物理學(xué)家則可以通過(guò)研究被探測(cè)器探測(cè)到的對(duì)撞產(chǎn)物，來(lái)反推分析出對(duì)撞時(shí)的物理過(guò)程。

由于粒子物理學(xué)所研究的對(duì)象如此之小，所需要的能量如此之高，科學(xué)家們只能通過(guò)建造大型的加速儀器來(lái)獲得研究所需的高能量。

在上個(gè)世紀(jì)的六七十年代，科學(xué)家們?cè)诜▏?guó)、美國(guó)、蘇聯(lián)、聯(lián)邦德國(guó)等國(guó)家的一些實(shí)力雄厚的大學(xué)或研究所先后建造了十幾個(gè)對(duì)撞機(jī)。這些對(duì)撞機(jī)大小相差巨大，從周長(zhǎng)幾米到周長(zhǎng)兩公里，分別覆蓋了許多不同的能量區(qū)間，可以分別研究不同的特定課題。在那個(gè)年代，由于科學(xué)家們開(kāi)始掌握了對(duì)撞機(jī)這一研究利器，粒子物理學(xué)呈現(xiàn)出了一輪爆發(fā)式的發(fā)展。前文提到的粲夸克等都是通過(guò)對(duì)撞機(jī)而發(fā)現(xiàn)的。

隨著研究的深入和進(jìn)展，能量較低的區(qū)間的課題已不能滿足理論發(fā)展的需求，科學(xué)家們開(kāi)始需要越來(lái)越高能量的對(duì)撞機(jī)來(lái)開(kāi)展科學(xué)研究。中型和小型的對(duì)撞機(jī)逐漸離開(kāi)科學(xué)家們關(guān)心的焦點(diǎn)，只有個(gè)別在特定能量區(qū)間上運(yùn)行的對(duì)撞機(jī)因一些特殊需求被保留至今。

而建造越大的對(duì)撞機(jī)自然花費(fèi)通常會(huì)越高，大型對(duì)撞機(jī)的建設(shè)再也不是一所實(shí)力雄厚的大學(xué)或研究所就能夠獨(dú)立完成的了。在這種不斷發(fā)展的過(guò)程中，在不同機(jī)構(gòu)工作的粒子物理學(xué)家們逐漸開(kāi)始聯(lián)合，逐漸開(kāi)始展開(kāi)了全球范圍內(nèi)的科學(xué)合作。

在上個(gè)世紀(jì)七十年代末，歐洲核子研究中心的物理學(xué)家們就開(kāi)始考慮長(zhǎng)期的物理學(xué)發(fā)展的戰(zhàn)略了。建造一個(gè)周長(zhǎng)長(zhǎng)達(dá)27公里的“大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)”LEP的計(jì)劃慢慢地開(kāi)始浮出了水面。經(jīng)過(guò)幾年的設(shè)計(jì)和論證，在1981年的5月22日，歐洲核子研究中心最終批準(zhǔn)了這個(gè)宏大項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)從1983年到1988年的施工與安裝，大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)LEP終于在1989年正式啟動(dòng)，27公里的周長(zhǎng)也讓它成為了當(dāng)時(shí)人類(lèi)歷史上最大的科學(xué)研究?jī)x器。

然而，1989年在歐洲啟動(dòng)的LEP，并不是當(dāng)年能量最高的對(duì)撞機(jī)，因?yàn)樵?986年起，對(duì)撞機(jī)能量最高的桂冠一直都高掛在美國(guó)的一臺(tái)對(duì)撞機(jī)頭上。1986年年底，在美國(guó)的費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，一個(gè)周長(zhǎng)6.3公里的正負(fù)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)“萬(wàn)億電子伏特加速器”Tevatron正式開(kāi)始以史無(wú)前例的對(duì)撞能量運(yùn)行了起來(lái)，Tevatron所創(chuàng)造的能量記錄維持了二十多年，一直到2010年后才被歐洲核子研究中心打破。

而比Tevatron晚三年開(kāi)始運(yùn)行、并且有著最大體積記錄的對(duì)撞機(jī)LEP的最高對(duì)撞能量反而只有Tevatron的大約二十分之一。為什么更大、更新的對(duì)撞機(jī)LEP會(huì)能量低于Tevatron呢？

這是因?yàn)椋m然同樣被叫做對(duì)撞機(jī)，LEP和Tevatron卻分屬于兩類(lèi)不同的科學(xué)研究?jī)x器，他們分別是正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)和強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。

正如他們的名字所描述的那樣，正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)中進(jìn)行對(duì)撞的粒子是正負(fù)電子，而強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中進(jìn)行對(duì)撞的粒子可以是質(zhì)子，也可以是重離子。

電子是一種不可再分的基本粒子。這種粒子帶有電荷，而體積則被認(rèn)為是趨近于零。電子在對(duì)撞中能夠參與的物理過(guò)程非常的簡(jiǎn)單，對(duì)撞產(chǎn)物非常干凈，非常適合用它進(jìn)行精確測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，因而電子對(duì)撞機(jī)通常也被稱作為“粒子工廠”，因?yàn)樗軌蛳窆S一樣穩(wěn)定地生產(chǎn)產(chǎn)品。然而電子有一個(gè)令實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家非常無(wú)奈的特性，就是電子在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候會(huì)輻射出大量的能量，從而使得電子本身自帶的能量降低。并且，電子轉(zhuǎn)彎越劇烈，輻射出的能量就會(huì)越大。所以，電子對(duì)撞機(jī)通常會(huì)做成大半徑的環(huán)，或者直接只在一段直線內(nèi)加速電子。位于美國(guó)的“斯坦福直線加速器對(duì)撞機(jī)”SLAC就是一個(gè)將電子在直線內(nèi)加速然后完成對(duì)撞的實(shí)驗(yàn)儀器。直線加速器的缺點(diǎn)是，電子束不能被重復(fù)利用，對(duì)撞一次后就會(huì)浪費(fèi)掉所有的被加速的電子，而環(huán)型對(duì)撞機(jī)可以使得被加速的粒子一次又一次地重復(fù)被利用，從而節(jié)約粒子和能量。正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)因其半徑大、能量較低，并不需要強(qiáng)磁場(chǎng)將粒子束縛，所以工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。除了前面提到的LEP和SLAC，其他著名的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)還包括中國(guó)的“北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)”BEPC和日本的高能加速器研究機(jī)構(gòu)研究含有底夸克（b）的粒子的對(duì)撞機(jī)KEKB/SuperKEKB。

強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中進(jìn)行對(duì)撞的粒子最通常的是質(zhì)子。質(zhì)子在粒子物理學(xué)中不是基本粒子。質(zhì)子中包含三個(gè)夸克和一些將夸克連接起來(lái)的膠子?？淇撕湍z子在對(duì)撞中會(huì)參與復(fù)雜物理過(guò)程，對(duì)撞產(chǎn)物也會(huì)非常復(fù)雜和多樣，無(wú)法像正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)粒子工廠那樣有穩(wěn)定的產(chǎn)出。但是，由于質(zhì)子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，在轉(zhuǎn)彎時(shí)只會(huì)輻射出較少的能量，所以質(zhì)子能夠在加速器中獲得比電子高得多的能量。強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)適合“開(kāi)疆拓土”，用極高的能量去探索能量前沿的問(wèn)題。利用強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)研究物理問(wèn)題，就是一個(gè)“大力出奇跡”的過(guò)程。而極高的能量則意味著強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)必須使用高強(qiáng)度的磁場(chǎng)，因而需要大量超導(dǎo)材料，制作工藝遠(yuǎn)比正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)復(fù)雜。強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)不擅長(zhǎng)做非常精確的測(cè)量，但是適合用來(lái)探索新的物理現(xiàn)象。強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)除了使用質(zhì)子對(duì)撞之外，還有一種常見(jiàn)的對(duì)撞模式，就是利用重離子進(jìn)行對(duì)撞。重離子是指自然界中的重的元素被剝離掉電子后的原子核，常見(jiàn)的在對(duì)撞中使用的重離子元素有鉛、金或重惰性氣體。利用重離子，則可以再把強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的對(duì)撞能量輕易地推進(jìn)百倍。重離子對(duì)撞機(jī)的對(duì)撞能量如此之高，以至于有些人斷言，在重離子對(duì)撞的時(shí)候，甚至可以產(chǎn)生許多微型黑洞。當(dāng)然，這些微型黑洞很快就會(huì)被蒸發(fā)掉，并不會(huì)毀滅地球。

前文中的LEP和Tevatron都在標(biāo)準(zhǔn)模型的驗(yàn)證過(guò)程中發(fā)揮了巨大的作用，它們的物理目標(biāo)之一都包含了對(duì)希格斯粒子的尋找。特別是在進(jìn)入新世紀(jì)前后，標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子就只剩下希格斯粒子還未曾被發(fā)現(xiàn)。

然而，在分別經(jīng)過(guò)了多年的運(yùn)行之后，雖然LEP和Tevatron在別的領(lǐng)域都取得了令人矚目的成果，他們卻分別都在希格斯粒子的尋找道路上折戟沉沙。盡管已有越來(lái)越多的人相信了標(biāo)準(zhǔn)模型，但是希格斯粒子的缺席使得標(biāo)準(zhǔn)模型仍然還是空中樓閣。

事情在上個(gè)世紀(jì)八十年代的美國(guó)曾有過(guò)一線轉(zhuǎn)機(jī)。

早在1983年7月，甚至在Tevatron開(kāi)始運(yùn)行之前，美國(guó)能源部就在一次高能物理咨詢委員會(huì)上決定要建造一個(gè)全世界最大的粒子加速器。最初的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)由康奈爾大學(xué)的粒子物理學(xué)家莫里·泰格納（Maury Tigner）領(lǐng)導(dǎo)。1985年左右，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)完成了雄心勃勃的最初設(shè)計(jì)方案，在這一個(gè)最初的方案中，有三個(gè)團(tuán)隊(duì)分別設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)都被考慮了進(jìn)去。

三個(gè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度分別是3特斯拉、5特斯拉和6.5特斯拉，而這三種磁場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的對(duì)撞機(jī)的周長(zhǎng)分別是164公里、114公里和90公里。

在1987年，在Tevatron剛剛開(kāi)始運(yùn)行的一年之后，在時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)羅納德·里根的大力支持下，雄心勃勃的“超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)”SSC的設(shè)計(jì)得到了美國(guó)國(guó)會(huì)的批準(zhǔn)。在被他們批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)中，磁場(chǎng)的強(qiáng)度被更換成了6.6特斯拉，對(duì)撞機(jī)周長(zhǎng)也變成了82.944公里，而對(duì)撞能量更是超過(guò)Tevatron 20倍。這臺(tái)巨大的對(duì)撞機(jī)被國(guó)會(huì)批準(zhǔn)在得克薩斯州建造。

但是SSC的設(shè)計(jì)和改進(jìn)的工作并沒(méi)有停止，甚至在1987年美國(guó)國(guó)會(huì)批準(zhǔn)之后仍然在進(jìn)行大量的改進(jìn)和變動(dòng)。

泰格納在SSC概念提出的初期領(lǐng)導(dǎo)了SSC的設(shè)計(jì)，在SSC被正式立項(xiàng)之后，出乎很多人的意料，泰格納并沒(méi)有被任命為SSC的主任，而哈佛大學(xué)的羅伊·施威特斯（Roy Schwitters）被美國(guó)能源部指派成為了SSC的主任。

在施威特斯上任之后，SSC的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了大換水。新的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在研究了泰格納領(lǐng)導(dǎo)的設(shè)計(jì)之后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)束流能量超過(guò)15萬(wàn)億電子伏特的時(shí)候，粒子在經(jīng)過(guò)原先設(shè)計(jì)的4厘米粒子通道孔徑的時(shí)候會(huì)變得不穩(wěn)定，很難達(dá)到20萬(wàn)億電子伏特+20萬(wàn)億電子伏特的最初設(shè)計(jì)目標(biāo)。

這時(shí)，其實(shí)擺在施威特斯團(tuán)隊(duì)面前還有兩個(gè)選項(xiàng)。一個(gè)是降低對(duì)撞機(jī)目標(biāo)的能量，接受不能超過(guò)15萬(wàn)億電子伏特的現(xiàn)實(shí)。另一個(gè)選項(xiàng)就是推翻了原有的設(shè)計(jì)，另起爐灶。

有野心的施威特斯顯然沒(méi)有與現(xiàn)實(shí)妥協(xié)的習(xí)慣，他選擇了后者，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)重新設(shè)計(jì)出來(lái)了直徑5厘米的粒子通道孔徑以及配套的所有設(shè)備。然而，對(duì)撞機(jī)這種精密儀器的設(shè)計(jì)可以說(shuō)是真正的牽一發(fā)而動(dòng)全身。新的設(shè)計(jì)使得整個(gè)SSC的項(xiàng)目進(jìn)展推遲了兩年，并且新設(shè)計(jì)的項(xiàng)目總預(yù)算也達(dá)到了原設(shè)計(jì)方案的兩倍以上。

此時(shí)的世界格局風(fēng)云變幻，經(jīng)歷了東歐劇變和蘇聯(lián)解體，美國(guó)實(shí)質(zhì)上已經(jīng)贏得了冷戰(zhàn)。外部競(jìng)爭(zhēng)壓力的突然釋放客觀上使得美國(guó)降低了對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)研究投入的迫切感。

SSC的計(jì)劃如此的宏大，以至于一旦付諸行動(dòng)，就必然會(huì)帶動(dòng)起一座科學(xué)城，進(jìn)而大幅度地帶動(dòng)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)。在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)之下，得克薩斯州的議員并沒(méi)有放棄SSC。但是其他州的那些批準(zhǔn)建造SSC的議員們?cè)赟SC落地得克薩斯州之后，因?yàn)镾SC并不能給本州帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，他們對(duì)SSC的態(tài)度卻開(kāi)始曖昧了起來(lái)。再加上此時(shí)恰逢民主黨總統(tǒng)克林頓上臺(tái)，對(duì)于新的國(guó)會(huì)議員來(lái)說(shuō)，NASA提出的國(guó)際空間站計(jì)劃似乎更吸引議員們的眼球。

于是，命途多舛的SSC在開(kāi)工建設(shè)之前經(jīng)歷了臨陣換帥后推倒原設(shè)計(jì)方案、新方案大幅增加預(yù)算、政黨輪換中支持對(duì)撞機(jī)的共和黨總統(tǒng)下臺(tái)、冷戰(zhàn)和美蘇爭(zhēng)霸結(jié)束等內(nèi)部外部壓力下，終于在1993年的10月21日被美國(guó)國(guó)會(huì)正式宣告了死亡。

按照SSC的設(shè)計(jì)，它的能力應(yīng)該如此之強(qiáng)大，以至于在三十多年以后的今天，世界上仍然沒(méi)有可以與之匹敵的對(duì)撞機(jī)。假如它沒(méi)有經(jīng)歷那些波折，他幾乎必然是希格斯粒子的最佳獵手。

然而，歷史容不得假設(shè)。正因?yàn)镾SC的死亡，美國(guó)幾乎是拱手讓出了粒子物理學(xué)研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

歐洲的鋼鐵巨獸

在上個(gè)世紀(jì)八十年代，誰(shuí)能想到，在對(duì)待科學(xué)的態(tài)度上，四分五裂的歐洲竟然比統(tǒng)一的美國(guó)更加團(tuán)結(jié)。

早在1984年，也就是歐洲核子中心的LEP正式開(kāi)始運(yùn)行的五年之前，在LEP尚在建設(shè)中的時(shí)候，歐洲的科學(xué)家們就在考慮在LEP退役之后未來(lái)的事情了。在1984年的一次討論會(huì)上，科學(xué)家提出了第一個(gè)利用LEP退役后的管道建造新的“大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)”LHC的提議。

然而這個(gè)提議在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)都沒(méi)有形成完整的提案并得到批準(zhǔn)，原因一是此時(shí)LEP還在建設(shè)階段，距離它退役還為時(shí)尚早，二是在1987年，SSC獲得了美國(guó)國(guó)會(huì)的批準(zhǔn)。SSC的存在使得歐洲的計(jì)劃失去了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，也讓LHC是否有必要再被建造畫(huà)上了一個(gè)問(wèn)號(hào)。

然而在1993年SSC被宣告死亡之后，失去了美國(guó)的SSC的競(jìng)爭(zhēng)，歐洲的LHC成為當(dāng)年世界上唯一一個(gè)能夠有望解決包括尋找希格斯粒子等粒子物理學(xué)問(wèn)題的對(duì)撞機(jī)。于是，在1994年，LHC的建設(shè)計(jì)劃正式被歐洲核子研究中心批準(zhǔn)。

2000年，LEP正式結(jié)束了它十多年的數(shù)據(jù)獲取運(yùn)行過(guò)程，并于2001年開(kāi)始被完全拆除。而LEP所留下的位于地下一百米深的長(zhǎng)達(dá)27公里的管道則被重新利用，用于安置LHC。2008年，LHC以及LHC上的實(shí)驗(yàn)被完全安置妥當(dāng)。

LHC除了本身占據(jù)的一條27公里長(zhǎng)的管道，還有幾個(gè)逐級(jí)加速的加速器環(huán)，更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使得它刷新了人類(lèi)歷史上所建造的最大規(guī)模的科學(xué)研究?jī)x器的記錄，成為了一個(gè)極具科幻色彩的龐然巨物。LHC不但大，而且設(shè)計(jì)對(duì)撞能量也達(dá)到了驚人的14萬(wàn)億電子伏特，相當(dāng)于每一個(gè)質(zhì)子都在幾萬(wàn)億伏的電壓下被加速，遠(yuǎn)超了它的前輩LEP和美國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)者Tevatron。粒子在加速器內(nèi)獲得的能量能達(dá)到自身質(zhì)量的近萬(wàn)倍，在加速器內(nèi)奔流的速度僅比真空中的光速每秒慢3米。粒子們?cè)诩铀倨鞴艿纼?nèi)如狂怒的奔獸一般，將在對(duì)撞點(diǎn)遇到的其他粒子撕得粉碎，而科學(xué)家們，則得以借此窺探粒子內(nèi)部的奧秘。

然而LHC卻是臺(tái)難以被馴服的野獸機(jī)器，它的啟動(dòng)階段充滿了波折。2008年，LHC上超導(dǎo)高電流通過(guò)一段焊接不良的連接線時(shí)產(chǎn)生的電弧打穿了冷卻設(shè)備的液態(tài)氦儲(chǔ)存槽，冷卻超導(dǎo)磁鐵用的液態(tài)氦發(fā)生了嚴(yán)重的泄漏，高達(dá)6噸液態(tài)氦泄漏到隧道中，泄漏量達(dá)到液氮總量的約1/3。這使得整個(gè)27公里長(zhǎng)的LHC不得不花一年時(shí)間進(jìn)行維修和再度重啟。

在經(jīng)歷了一段艱難的啟動(dòng)階段之后，LHC還是于2010年正式開(kāi)始了物理數(shù)據(jù)的獲取過(guò)程，而它也輕易地摘得了人類(lèi)在地球上創(chuàng)造的最高能量的記錄。

并且僅僅就在兩年之后的2012年，它就發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子。7月4日，在歐洲核子中心的主報(bào)告廳，發(fā)生了文章最開(kāi)頭的那一幕。

此時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)模型的大廈終于不再是空中樓閣，它所預(yù)測(cè)的所有基本粒子都已被找出。此刻距希格斯機(jī)制的提出，已經(jīng)經(jīng)過(guò)了48年。

在2012年7月4日的歐洲核子研究中心報(bào)告廳里，大廳前排坐滿了為標(biāo)準(zhǔn)模型的建立做出過(guò)貢獻(xiàn)的科學(xué)家們。他們也曾年輕氣盛，他們也曾鋒芒畢露，但到了這一天，他們?nèi)家咽谴勾估险?。他們?yōu)榱诉@一天，等待得太久了。

而這一刻，也宣示著，歐洲開(kāi)始了對(duì)撞機(jī)粒子物理學(xué)領(lǐng)域的絕對(duì)霸權(quán)。

本文經(jīng)授權(quán)節(jié)選編輯自微信公眾號(hào)“粲美集”《楊振寧的最后一個(gè)“對(duì)手”——希格斯物理的漫長(zhǎng)過(guò)去與未來(lái)》一文。