王貽芳院士：當代粒子物理的主旋律——希格斯粒子_風聞

來源：科技導報

王貽芳，實驗高能物理學家，中國科學院院士，美國國家科學院外籍院士，俄羅斯科學院外籍院士，發展中國家科學院院士。現任中國科學院高能物理研究所所長，中國科學院大學核科學與技術學院院長等。研究方向為高能物理實驗。

2024年4月9日，我們正在法國馬賽參加希格斯工廠環形正負電子對撞機（Circular Electron Positron Collider，CEPC）的歐洲研討會。愛丁堡大學的同事過來説，希格斯先生去世了，大家唏噓不已。過去幾年，一直聽説他健康狀況不佳。2023年7月，在希格斯的家鄉愛丁堡舉行上一屆研討會時曾邀請他，但因身體原因未能來。沒想到才不到10個月，他就永遠離開了我們。最近幾年，粒子物理標準模型的幾位奠基者相繼離世，從20世紀60年代中後期建立起來的標準模型逐漸進入歷史，一個新的時代正在到來。

20世紀90年代初，我在意大利西西里島的埃裏切（Erice）小鎮參加茲齊齊（Zichichi）教授組織的研討會，有幸第一次見到希格斯先生。他和藹可親，不愛説話，每天晚上跟大家一起吃飯、聊天，沒有尊卑長幼，大家隨便坐。有一天晚餐，我坐在他旁邊，那時還沒有手機，沒能留下照片，很是遺憾。當時我在歐洲核子研究中心丁肇中教授領導的L3實驗組工作，同辦公室一個同學的博士論文題目是《希格斯玻色子的尋找》，經常聽他作報告，感覺希格斯玻色子找不到的樣子。所以，在埃裏切時也沒有覺得有生之年希格斯玻色子能被找到，估計希格斯先生自己也沒抱太大希望。

希格斯先生不僅提出了定域規範對稱性自發破缺的機制，還預言了其場粒子（後來被稱作希格斯玻色子）應該存在並且可以被實驗探測到。由此他享有的盛譽遠超其他只提出對稱性自發破缺機制（現稱“希格斯機制”，或更準確地稱為“Brout-Englert-Higgs機制”）的同行們。希格斯機制的基本形式在凝聚態物理中並不十分陌生，金茲堡-朗道關於超導的唯象理論就與希格斯場勢的形式一模一樣。有人認為凝聚態理論家安德森也獨立發現了“希格斯機制”，但温伯格首次將希格斯機制引入SU（2）×U（1）規範理論並建立了弱電統一標準模型，李輝昭（Benjamin Whisoh Lee）命名了這個機制的場粒子為希格斯玻色子，諾貝爾獎委員會仔細研究了原始文獻，確認了各位前輩的貢獻並給予了高度的評價和獎勵。今天常用的“希格斯玻色子”應該説表述基本無誤，希格斯先生實至名歸。

希格斯玻色子發現後，標準模型裏不再有尚未發現的新粒子，且其預言及計算與迄今為止的實驗結果在很高的精度上符合，標準模型被確立為粒子物理的基本理論，就像相對論和量子力學在物理學中的地位一樣。粒子物理研究因而進入下一階段：不再以檢驗理論模型為首要任務，而是以提供新的實驗數據、為建立新的理論模型奠定基礎為首要任務。這是研究範式的轉變，也是標準模型提出之前的研究範式。那時的實驗物理學家只是埋頭自己的工作，追求更高的加速器能量，希望提供更多的新數據，並不關心自己的實驗建議（或更高的加速器能量）是否能驗證任何理論或被理論學家認可。理論物理學家面對無法理解的數據也極為迷茫，以致有人離開了粒子物理研究領域。今天我們對未來也有一定的迷茫，不知道未來的理論是什麼樣子，實驗目標的具體理論意義在哪裏。這與標準模型提出之前有一定的相似性。但歷史證明，迷茫也是實現重大突破、建功立業的機會，就像標準模型的那些奠基者一樣。願我們的年輕人對未來有信心，粒子物理研究不會就此終止，機會屬於有心人和樂觀的人。

標準模型並不是一個終極理論，只能説是在弱電能標（約100 GeV量級）附近的有效理論。有質量的中微子對標準模型提出了巨大挑戰，也許會引入新的粒子，結果迄今無法估量。標準模型既不完備，如不能解釋夸克與輕子之間的對稱，未能納入有質量的中微子、暗物質粒子等，不能解釋宇宙中的物質-反物質不對稱性，更無法與引力作用相統一；也不完全自洽，如真空的不完全穩定，希格斯玻色子本身質量的來源等；更談不上優美，如基本粒子之間巨大質量的差異極不自然，它們與希格斯玻色子之間的耦合常數需要手動地根據實驗結果在十幾個量級之間調整，希格斯玻色子的質量是2個大數相減得出的結果，其調節的精度要求令人無法置信，等。實驗上，W粒子的質量、g-2的測量等與理論並不符合；味物理 （flavor physics）有關的一些實驗測量也有許多與理論偏離在3倍標準偏差左右。雖然這些實驗結果還需要更多的驗證，其理論預言的計算也有改進的空間，但這些跡象都不能忽略，需要更多的實驗測量與研究，也需要更多的實驗裝置。

事實上，上述關於標準模型理論上的疑問，大多跟質量有關。希格斯玻色子的發現，既回答了一個標準模型的根本問題——質量的來源，也提出了許多與質量相關的新問題。尋找超出標準模型的新物理，希格斯玻色子是最好的窗口。例如，天文觀測中發現的暗物質，非常可能源於一種（或多種）暗物質粒子，其唯一已知的性質是具有質量。而希格斯場賦予所有基本粒子以質量，這包含暗物質嗎？很容易想象，希格斯玻色子與暗物質粒子的關係比標準模型裏的其他基本粒子要密切。從與希格斯玻色子的耦合去尋找暗物質是一個有希望的重要途徑。事實上，我們要尋找的超出標準模型的新世界一定是有質量的，似乎都應該和希格斯玻色子有耦合。目前來看，很難有另一個尋找新物理的窗口比希格斯更好。

從歷史經驗來看，所有主要的基本粒子發現後，都有相應的粒子工廠去仔細研究它，例如研究奇異夸克的有意大利的DAφNE，粲夸克有北京正負電子對撞機，底夸克有美國和日本的B-工廠和超級B-工廠，Z粒子有歐洲核子研究中心的大型正負電子對撞機（Large Electron-Positron，LEP）等。希格斯玻色子是如此重要和奇特，自然應該有一個希格斯工廠去研究它。

2012年9月，中國科學家率先提出建設基於環形正負電子對撞機的希格斯工廠，當時國際上也有各種規模較小的方案，如歐洲的LEP3和TLEP（Triple-Large Electron-Positron Collider）、日本的Super TRISTAN、美國費米實驗室的Site-Fitter等。中國方案規模最大，且首次提出在後期可以升級為一個質子對撞機以重複利用隧道，在國際上獲得極大關注。隨後歐洲提出了類似的未來環形對撞機（Future Circular Collider，FCC），具有電子對撞（FCC-ee）和質子對撞（FCC-hh）2個階段，並將質子對撞機作為首要目標，正負電子對撞的希格斯工廠作為可能的中間階段（或前期階段）。

經過多年研討，大家終於在2019年前後認識到希格斯工廠才是科學上的正確首選。2020年歐洲高能物理戰略規劃將FCC-ee作為未來發展的首選，美國的高能物理顧問委員會（High Energy Physics Advisory Panel，HEPAP）在2023年確定發展規劃，將希格斯工廠作為未來高能加速器發展的首選。日本的國際直線對撞機（International Linear Collider，ILC）和歐洲的緊湊型直線對撞機（Compact Linear Collider，CLIC）在2015年左右將其設計能量調整到希格斯物理的能區範圍。而中國早在2012年就啓動了希格斯工廠環形正負電子對撞機的設計與預研。至此，全球高能物理學界一致將未來聚焦在希格斯工廠，研究希格斯玻色子，尋找其與新物理的耦合。

在國際高能物理未來發展戰略的這一輪討論中，中國科學家首次提出了正確的思路和想法，引領了相關討論和方向，並在隨後的設計、預研中走在國際最前列。中國率先啓動了希格斯工廠研究、率先完成了概念設計報告（Conceptual Design Report，CDR）和技術設計報告（Technical Design Report，TDR），在國際上引起很大反響，也推動了各國在該領域的發展。中國的關鍵技術預研取得了突出成績，包括超導高頻腔、高效速調管、高精度磁鐵、束流測試系統等均走在國際前列，各項指標達到國際領先。相關技術已經開始應用在國內的其他裝置，如散裂中子源二期、高能同步輻射光源、自由電子激光裝置等。

中國科學家一直以來從理論和實驗2個方面參與了希格斯物理的研究，也參與了希格斯玻色子的發現。目前有近百位科學家在歐洲核子研究中心參加大型強子對撞機超導環面探測儀（A Toroidal LHC Apparatus，ATLAS）和緊湊μ子線圈探測器（Compact Muon Solenoid，CMS）2個實驗，既參與了探測器的研製，也參與了數據分析、物理研究以及近年來加速器亮度升級超導磁體的研製，作出了重要貢獻。一大批青年科學家在這個過程中成長起來，他們有望主導未來國際高能物理發展，成為國際舞台的主角。

回顧幾十年來國際高能物理的發展，希格斯物理是主旋律之一。最近十幾年，希格斯工廠更是大家關注的焦點，無論是在國內還是在國外。這既説明中國的高能物理已經走到國際舞台中央，也説明中國開始面臨真正的國際競爭。未來非常有挑戰，也非常有希望。全球高能物理的未來繫於希格斯玻色子，也繫於希格斯工廠。希格斯先生是幸運的，他等到了希格斯玻色子的發現；但也有遺憾，沒有等到希格斯工廠的立項開建。我們比他幸運，一定會看到希格斯工廠（無論建在哪裏），也很有希望看到希格斯玻色子與新物理的耦合。