2012年CMS探测器在质子-质子质心能量为8 TeV的条件下记录的事件。

CMS探测器在2012年记录的事件的插图显示了希格斯玻色子(虚线黄色)衰变为一对光子(绿色塔)的预期特征。图片来源:Thomas Mc Cauley/CMS Collaboration

10年前的2012年7月4日，全世界的科学家都在庆祝这一重大消息:研究人员发现了支持希格斯玻色子存在的证据。这种基本粒子的存在是20世纪60年代中期理论发展的结果1，2在位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)中，ATLAS和CMS实验团队发现了这一现象。这一发现是大型强子对撞机的最高成就，也是帮助它实现的数千名工程师、研究人员、后勤人员和技术人员的最高成就。

然而,大型强子对撞机正准备启动计划中的五次运行中的第三次在美国，有些人认为这可能是粒子物理学的最后一口气——或者至少是高能粒子碰撞物理学的最后一口气。他们的理由吗?研究人员希望改进目前对基本粒子及其相互作用的理论描述——粒子物理学的标准模型——这被认为是不完整的。许多人感到失望的是，LHC还没有发现任何与标准模型不一致的迹象，这可能代表着朝着更完整的理论迈出了一步。

标准模型是20世纪50年代至70年代发展起来的理论的集合。尽管它具有惊人的准确性，但它没有包含引力或暗物质，也不能解释宇宙中物质多于反物质的丰度，也不能解释中微子的某些方面。

恐惧之地

在寻找答案的过程中，理论物理学家经常假设新粒子的存在——其中一些应该在现有对撞机的探测范围内。但是世界上最大的大型强子对撞机还没有发现。有人担心，如果大型强子对撞机不能拿出成果，该领域将陷入困境。批评者认为，在没有任何明确线索的情况下，指望政府为另一个大型对撞机筹集数十亿美元的资金是不合理的进行盲目的搜寻。如果没有另一个对撞机，这个领域本身可能很快就会消亡。

这些担忧是合理的，但他们假设大型强子对撞机的唯一目的是寻找粒子。发现一种新粒子绝不是一个微不足道的结果。然而，像大型强子对撞机这样的粒子对撞机对于加深我们对已知粒子(尤其是希格斯玻色子本身)行为的理解也是必不可少的。物理学家彼得·希格斯是科学界最著名的人物之一，但研究人员对以他的名字命名的粒子仍然知之甚少。在一次又一次的碰撞中，LHC不断揭示关于希格斯玻色子的新信息。

2012年，欧洲核子研究中心的研究人员估计了新发现的粒子的质量。他们谨慎地将其列为希格斯玻色子的候选粒子，但他们明白，还需要更多的证据才能确定该候选粒子符合标准模型的预测。

30倍的数据量

根据理论，粒子没有质量;相反，它们的质量来自于它们与渗透整个宇宙的希格斯场(或布劳特-恩格尔特-希格斯场)的持续相互作用。希格斯玻色子就是磁场中的一种波。任何粒子与希格斯场相互作用的强度都被认为与它的质量成正比，这意味着较重的粒子，比如顶夸克，应该比较轻的粒子相互作用更强。

自2012年以来，大型强子对撞机产生的希格斯玻色子粒子碰撞数据增加了30倍。利用这些数据，我们阿特拉斯而且CMS本周的合作报告了希格斯粒子与重粒子相互作用的结果3.，4．结果与50多年前理论家预测的模式一致。

为了完成这幅图，研究人员还需要探索希格斯玻色子和更轻的粒子之间的相互作用——这些粒子，比如电子，构成了日常物质的基石。德国慕尼黑马克斯·普朗克物理研究所的Giulia Zanderighi和她的同事在一个研讨会上讨论的角度来看在美国，大型强子对撞机应该能够帮助科学家实现这一目标，但可能需要新一代对撞机来完成这项工作5．如何在LHC中最好地研究这些相互作用，以及可能需要其他什么实验的问题，都是活跃的研究领域。

过程重要

然而，关于希格斯玻色子的更深层次的问题仍然没有答案。与所有其他已知粒子不同，它在宇宙中的相互作用不通过电磁力、弱核力和强核力以及引力这四种已知力中的任何一种发生。这是了不起的，物理学家们希望这种独特的特征可以让希格斯玻色子为一些基本问题提供线索。例如，如果希格斯玻色子与暗物质或其他未知粒子相互作用，那么这些相互作用可能会在玻色子的行为中留下可观察到的痕迹。早在2012年的发现之前，理论和实验物理学家就一直在探索这些问题，所以解决方法可能还有一段路要走。

粒子物理学还没有完成物理学家和哲学家托马斯·库恩在他的书中著名的“正常科学”《科学革命的结构(1962)。库恩的常态科学描述了科学家在给定框架(如标准模型)内进行理论、观察和实验的工作。这并不是说不可能有库恩所说的“范式转变”，即需要从根本上改变视角来适应不断演变的证据。但正如发现希格斯粒子时欧洲核子研究中心(CERN)总干事罗尔夫-迪特尔·豪耶尔(Rolf-Dieter Heuer)所写的那样自然物理，在寻找标准模型之外的物理现象时，LHC的数据也是必需的6．为了发现任何异常，人们必须很好地理解预期会发生什么。

对于那些担心粒子物理学可能即将消亡的人，我们敦促你们允许科学走自己的路，为惊喜做好准备，并回忆起一个理论的一个方面需要40多年的时间才能被实验证实。在科学领域，过程很少成为头条新闻，但它与结果同样重要。