希格斯：“上帝粒子”的发明与发现

   当代最伟大的物理学家之一、诺奖得主史蒂文·温伯格作序，中国科学院高能物理研究所邢志忠研究员翻译。 

 建立在杨-米尔斯场论（Yang-Mills field theory）基础上的标准模型（standard model），是人类理解物质世界的微观结构及其相互作用力的集大成之作，它的点睛之笔当属布劳特-昂格勒-希格斯机制（Brout-Englert-Higgs mechanism）。该机制保证了电弱规范对称性的自发破缺，不仅使电磁力与弱核力从此分道扬镳，以及绝大多数基本粒子因此获得质量，而且预言了存在“上帝粒子”——希格斯玻色子（Higgs boson）。2012年 7月 4日，希格斯玻色子终于在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上现出原形。 2013年，昂格勒与希格斯荣获诺贝尔物理学奖。 
本书遵循历史发展的脉络，以简洁生动的语言回顾了基本粒子物理学的百年家史，讲述了寻找“上帝粒子”之旅中交织着成功与失败的传奇故事，展现了科学家无与伦比的探索精神、人文情怀和鲜明个性。

吉姆·巴戈特（Jim Baggott，1957— ），一位成功的科普作家。先前从事纯学术性的研究，现在的职业是私人商业顾问，但依然保持着对科学、哲学和历史的广泛兴趣，并在业余时间继续致力于这些方面的写作。其作品获得了广泛好评，包括《量子故事：40 个关键的历史时刻》《原子的故事：物理学的第一次大战以及1939—1949年的原子弹秘史》《实在之新手指南》 《无可估量：现代物理学、 哲学和量子理论的内涵》《完美的对称：富勒烯的意外发现》和《量子理论的内涵：化学和物理学学生的学习指南》。

001一  作者序005—  温伯格的序言
001一  引言形式与实质
013一  第一部分  发明
015—第一章  逻辑思想的诗篇
030一 第二章  并非一个充分的理由
043一 第三章  人们对它的反应会很迟钝
058一 第四章  把正确的想法用于错误的问题
077一第五章 我可以做这件事
093一  第二部分  发现
095一 第六章  忽隐忽现的中性流
110一 第七章  它们一定是W粒子
127一第八章 纵深远投
139一 第九章  梦幻般的时刻
157一 第十章  莎士比亚之问
181一 后记  质量的构成
183—术语表

205—  参考文献

208一  译后记

2012年7月4日，酷似希格斯玻色子(Higgs boson)的新粒子在日内瓦的欧洲核子研究中心(CERN)被发现了。这一消息如同具有传染性的电子病毒，瞬间传遍了全世界。各种新闻媒体都大肆报道了这个高能物理学的最新胜利。该发现成为报纸和电视的头版头条新闻，成为许多晚间新闻报道的焦点，并触发了亿万观众和听众的好奇心。CERN的实验信号与某个粒子的性质一致，这个粒子最初是在1964年被假设或“发明”出来的，并最终在48年之后以数十亿美元的代价被发现了。
那么,有什么值得大惊小怪的呢?希格斯玻色子是什么东西?它为什么如此重要?如果这个新粒子确实是希格斯玻色子，那么它能告诉我们哪些关于物质世界和早期宇宙演化的秘密呢?真的值得付出所有的努力去发现它吗?
人们可以在粒子物理学的所谓“标准模型”(standard model)的故事中找到这些问题的答案。顾名思义，标准模型是物理学家用于解释所有物质的基本组分和相互作用力的理论框架，其中相互作用力要么将物质结合在一起，要么使之分崩离析。它是物理学家数十年不遗余力的集大成之作，象征着他们为了解释我们周围的物理世界而付出的最大努力。
标准模型还不是一个“万能理论”(theory of everything)。它无法解释引力的本质。近年来你也许读到过一些奇奇怪怪的物理学新理论，它们试图统一所有的基本相互作用力，包括引力。超对称(supersymme-try)和超弦(superstring)就属于这类新理论。尽管成百上千的理论学家致力于此类研究项目，但这些新理论依旧处于思辨和推理阶段，没有或几乎没有得到任何实验证据的支持。虽然人们承认标准模型自20世纪60年代末期*建立伊始就一直存在着瑕疵，但它暂时仍然是粒子物理学最行之有效的理论。
希格斯玻色子在标准模型中很重要，因为它意味着希格斯场(Higgs field)的存在，而希格斯场是一种原本不可见的、遍及整个宇宙的能量场。假如没有希格斯场的话，那么组成你、我和可观测宇宙的基本粒子就不会有质量。假如没有希格斯场的话，那么就无法生成质量，也无法构建任何东西。
似乎我们应该对希格斯场的存在心怀感激。这是希格斯玻色子(即希格斯场所对应的粒子)之所以被大众媒体夸大为上帝粒子(Godparticle)的原因之一。实事求是的科学家都十分鄙视“上帝粒子”这个名称，因为它夸大了希格斯粒子的重要性，并把公众的注意力吸引到物理学和神学之间的关系上，而这有时令人感到很不舒服。然而，它是一个深受科学记者和科普作家喜爱的名称。
许多关于希格斯场的理论预言结果在20世纪80年代初期的粒子对撞机实验中得到了证实。可是对场的推断并不等同于探测它的信号——场粒子。因此，搞清楚希格斯场很有可能无处不在这件事是非常令人欣慰的。也许希格斯玻色子还没有被发现，这也是很有可能的。果真如此的话，其寓意对于标准模型而言将具有潜在的颠覆性。
我是从2010年6月，即希格斯粒子被发现的两年之前，开始写这本书的。当时我刚刚完成另外一本书的手稿，书名为《量子故事：40个关键的历史时刻》。正如书名所表明的那样，它是一部关于量子物理学从1900年到今天的历史。该书概括了标准模型的发展与希格斯场及其粒子的发明。几个月前，CERN的大型强子对撞机(Large Hadron Collider)达到了创纪录的7万亿电子伏的质子-质子对撞能量。于是我推测，它在未来的几年之内有可能做出某种发现。幸运的是，我被证明是正确的。
《量子故事》一书出版于2011年2月，它的部分内容在本书中将有所体现。
感谢梅农(Latha Menon)和牛津大学出版社的代表们，他们当时做好了准备，要冒险出一本关于还没有被发现的粒子的科普图书。我一直通过正式渠道密切关注着CERN那里的实验进展，但是我要感谢数位高能物理学的博主，包括吉布斯(Philip Gibbs)、多里戈(TommasoDorigo)、沃伊特(Peter Woit)、法尔科夫斯基(Adam Falkowski)、斯特拉斯勒(Matt Strassler)和巴特沃思(Jon Butterworth)。我还要感谢巴特沃思、泰绍里(Sophie Tesauri)、吉利斯(James Gillies)、庞塞(LaurettePonce)和埃文斯(Lyndon Evans),他们花了很多时间与我交谈，并与我分享他们对实验进展那种与日俱增的兴奋感。我也要向米勒(DavidMiller)教授和沃伊特教授表示感谢，他们阅读并评论了本书的初稿。感谢温伯格(Steven Weinberg)教授，他也通读了本书的初稿，并在他的序言中友好地表达了个人观点和展望。由于作者水平有限，本书的错误在所难免。

    今天科学家的工作只不过是宏大的科学史诗中承前启后的最新篇章：我们力图猜中自然界的奥秘，并始终使我们的猜测服从于实验的检验。巴戈特的书将会为读者勾勒出这一历史性的科学探秘之旅中形形色色的风景。 
                                                  ————温伯格（Steven Weinberg）, 美国国家科学院院士