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希格斯粒子發(fā)現(xiàn)10周年：物理史上與眾不同的一天

2022/07/05
導(dǎo)讀
后希格斯時代的歡呼
    7.4
知識分子The Intellectual

知識分子 X Physics World，帶你走進(jìn)英國媒體視角下的科學(xué)議題。


  導(dǎo)  讀

在這篇文章中，曾在歐洲核子研究中心做過十多年科學(xué)傳播的Achintya Rao，回憶了10年前歐洲核子研究中心（CERN）宣布發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的那一重大日子。


撰文｜Achintya Rao

翻譯｜趙金瑜

審校｜阮曼奇責(zé)編｜陳曉雪


 ●                　●                 　●


圖1
 重大的日子：2012年7月4日，法比奧拉·吉亞諾蒂（前排，身穿紅色上衣）在擁擠的 CERN 禮堂中引領(lǐng)掌聲。
2012年7月4日午夜12點(diǎn)一刻，我正在急急忙忙地趕往當(dāng)晚從瑞士日內(nèi)瓦的粒子物理實驗室歐洲核子研究中心（CERN）回家的最后一班車。過去的幾個小時，我剛剛幫助完成了一篇重要文章的收尾工作（它最終被翻譯成20種語言），它很快就會出現(xiàn)在緊湊型μ子線圈（CMS）實驗室的網(wǎng)站。CMS是大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）的兩個通用粒子探測器之一。

當(dāng)我趕往車站時，我注意到CERN的主禮堂外已經(jīng)開始排起了長隊。一些有進(jìn)取心的學(xué)生在入口處睡著了，他們渴望在當(dāng)天上午9點(diǎn)開始的研討會上獲得珍稀的座位。外面的夜色晴朗而安靜，但幾個小時后，實驗室就會變得熱鬧非凡。因為，今天是CMS和ATLAS（注：超環(huán)面儀，LHC探測器之一）合作宣布發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的日子。


1

一份提前到來的圣誕禮物？
人們在幾個月前已經(jīng)開始期待了，而且并不僅限于科學(xué)界。

2011年12月13日，在CERN的年終特別研討會上，ATLAS發(fā)言人法比奧拉·吉亞諾蒂和CMS發(fā)言人奎多·托內(nèi)利介紹了每個合作機(jī)構(gòu)尋找希格斯玻色子的最新結(jié)果。多年來，CERN的研討會一直得到公開廣播，以服務(wù)于更廣泛的高能物理學(xué)家群體，包括實驗者和理論家。盡管這是一場技術(shù)性很強(qiáng)的研討會，但它還是吸引了來自世界各地的數(shù)以萬計的觀眾，包括許多記者。事實上，CERN的IT團(tuán)隊被迫為其流媒體服務(wù)分配了額外的資源，既是為了研討會，也是為了準(zhǔn)備任何潛在的發(fā)現(xiàn)可能在某一天引起的關(guān)注。

到2011年底，LHC已經(jīng)為ATLAS和CMS提供了足夠的對撞能量（7 TeV），使得合作機(jī)構(gòu)能夠在預(yù)計可以發(fā)現(xiàn)粒子的質(zhì)量范圍內(nèi)進(jìn)行搜尋。吉亞諾蒂一邊說著，一邊展示著ATLAS在尋找希格斯玻色子時排除的區(qū)域，掩飾不住自己的興奮。然而，那些未經(jīng)排除的區(qū)域仍然令人好奇。

在125 GeV附近出現(xiàn)了一個輕微的超出，其顯著性為2.8σ——明顯低于宣布新發(fā)現(xiàn)所需的5σ，但足以讓在場的每個人看到希望，即粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖已經(jīng)在我們的掌握之中。在隨后托內(nèi)利的展示中，CMS的數(shù)據(jù)顯示了類似的超出。盡管兩個合作機(jī)構(gòu)都告誡說，需要更多的數(shù)據(jù)來確定這種超出是否的確與來自真實粒子的信號有關(guān)，而不是僅僅是背景漲落的結(jié)果，但人們覺得圣誕節(jié)似乎提前到來了。

然而，更多的數(shù)據(jù)并沒有立即出現(xiàn)。LHC是一個非常復(fù)雜的機(jī)器，需要定期維護(hù)。在12月的研討會上，這個龐然大物正處于一年一度的 “冬眠期”，只有到了春天才會 “醒來”。

2012年2月，CERN宣布，該加速器當(dāng)年將以8 TeV的能量碰撞質(zhì)子，每束質(zhì)子增加0.5 TeV；它還會在每秒產(chǎn)生更多的碰撞。ATLAS和CMS都在4月5日開始接收碰撞，當(dāng)時LHC打破了自己的最高能量粒子對撞的記錄。但是，這些新數(shù)據(jù)將要揭示的東西還會繼續(xù)隱藏一段時間。


2

處于保密狀態(tài)的雙盲數(shù)據(jù)
在粒子加速器上尋找新的粒子涉及一些偵查工作。當(dāng)兩個質(zhì)子在LHC中對撞時，它們可能會產(chǎn)生許多重粒子中的任何一種，包括以前未見過的粒子，如希格斯玻色子。但由于這些粒子不穩(wěn)定，它們幾乎在瞬間轉(zhuǎn)變或 “衰變” 為更輕、更穩(wěn)定的粒子，如輕子（電子或μ子）和強(qiáng)子（如中子）。這些衰變粒子以接近光速的速度穿過ATLAS/CMS探測器，在各個子探測器的敏感單元留下痕跡和能量沉積。

通過匯總數(shù)十億次碰撞事件在探測器中留下的粒子軌跡和能量的最終狀態(tài)，物理學(xué)家可以反過來確定碰撞中產(chǎn)生的原始粒子是什么。通常使用衰變產(chǎn)物的質(zhì)量分布圖來檢查數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中的顯著凸起對應(yīng)的是特定粒子的存在。

圖2 關(guān)鍵事件：來自 CMS（上）和 ATLAS（下）的碰撞數(shù)據(jù)顯示了與希格斯玻色子產(chǎn)生相關(guān)的特征。


在搜索希格斯玻色子的情況下，光子對和四個輕子的質(zhì)量分布圖至關(guān)重要。也就是說，搜索的重點(diǎn)是希格斯玻色子自行產(chǎn)生并轉(zhuǎn)化為兩個光子的情況；或者希格斯玻色子衰變?yōu)橐粚玻色子，后者轉(zhuǎn)變?yōu)槌蓪Φ妮p子，最終產(chǎn)生四個輕子。在2011年12月的研討會上，ATLAS和CMS都報告了兩個數(shù)據(jù)集的輕微超出，因此在分析2012年記錄的數(shù)據(jù)時采取了一定的預(yù)防措施。

為了防止?jié)撘庾R的偏見產(chǎn)生優(yōu)化分析，以增強(qiáng)2011年看到的信號，兩個合作機(jī)構(gòu)做了一個 “盲” 分析。之前被排除的大量區(qū)域的數(shù)據(jù)被用來優(yōu)化整體數(shù)據(jù)的分析，而沒有被排除的區(qū)域則留在隱喻性的盲區(qū)后面。由于希格斯玻色子的存在已經(jīng)在大質(zhì)量范圍內(nèi)被排除了，所以使用這些數(shù)據(jù)來減少噪音和微調(diào)數(shù)據(jù)處理是沒有風(fēng)險的。在科學(xué)家們對其分析方法感到滿意之前，不會對感興趣的質(zhì)量區(qū)域進(jìn)行分析。然后，作為 “揭盲” 過程的一部分，分析將擴(kuò)展到整個數(shù)據(jù)集。

加速器方面的工作進(jìn)展迅速。幾個星期內(nèi)，LHC提供的數(shù)據(jù)比它在2011年全年的數(shù)據(jù)還要多。6月15日，就在8 TeV數(shù)據(jù)首次送到的兩個多月后，實驗物理學(xué)家楊明明站在她的CMS同事面前，準(zhǔn)備介紹揭盲“雙光子”數(shù)據(jù)的結(jié)果。她說：“有了這個（數(shù)據(jù)），我的心臟跳得更快了”，她讓我們聚集在一起，為接下來的15分鐘做好準(zhǔn)備。

這是 “希格斯到雙光子” 工作小組以外的人第一次看到這些結(jié)果。楊展示的結(jié)果顯示，從2011年和2012年的數(shù)據(jù)組合來看，雙光子通道的超出已經(jīng)突破了4σ。不到兩周后，6月28日，現(xiàn)任CMS部門負(fù)責(zé)人的安德烈·戴維展示了同一個希格斯雙光子通道的結(jié)果，但其中補(bǔ)充了在此期間收集的新數(shù)據(jù)。

當(dāng)他站在CERN的主禮堂里參加CMS的內(nèi)部演講時，戴維指出，隨著額外數(shù)據(jù)的補(bǔ)充，CMS所看到的125 GeV的超出現(xiàn)在具有4.1σ的顯著性。完全揭盲的16小時后，他就在座無虛席的禮堂里發(fā)表了演講。盡管我們CMS這邊的人對ATLAS探測到的究竟是什么仍然一無所知，但我們很快就會知道他們的數(shù)據(jù)顯示了什么。


3

舉行發(fā)布會的房間
在2012年7月4日那個歷史性的日子，睡了沒幾個小時后，我在早上6點(diǎn)15分乘坐電車回到了CERN。當(dāng)我沿著走廊走向主禮堂時，我驚訝地看到門口排起了蜿蜒的隊伍。我在前一天晚上看到的那些進(jìn)取的學(xué)生仍然排在前面。長隊從禮堂入口處蜿蜒到樓梯平臺，然后沿著樓梯走下；經(jīng)過郵局、銀行和小賣部，進(jìn)入CERN的1號餐廳；它一直延伸到指向阿爾卑斯山側(cè)翼的咖啡機(jī)，然后繼續(xù)前進(jìn)，排出了餐廳。

由于禮堂前面的黃金位置已經(jīng)預(yù)留給了高級研究人員和政要，排隊的人多到可以把空位填滿好幾次。盡管知道他們沒有辦法進(jìn)去，但排隊的人臉上都掛著燦爛的笑容。最終，只有少數(shù)人能夠進(jìn)入禮堂，聚集的人群不得不分散到實驗室的幾個會議室，那里將直播主禮堂的會議活動。

多年來，CERN的主禮堂一直是許多著名講座和科學(xué)聲明的舉辦地。但是，它將見證粒子物理學(xué)史上從未有過的事情：來自世界各地的數(shù)十萬人調(diào)到同一個頻道，觀看一場技術(shù)向的科學(xué)研討會。人們原本打算在兩年一度的國際高能物理會議（ICHEP）上公布ATLAS和CMS的最新結(jié)果，該會議當(dāng)年在澳大利亞墨爾本舉行。但CERN希望在 “家” 宣布這一發(fā)現(xiàn)，這導(dǎo)致了有史以來第一次在不同的大陸舉行粒子物理學(xué)會議。盡管研討會在瑞士日內(nèi)瓦舉行，但名義上是ICHEP會議的一部分，參會者在兩個會場之間得到連接。

圖3 發(fā)布會現(xiàn)場：2012年7月4日，歐洲核子研究中心宣布這一消息后，本文作者Achintya Rao（右，身穿綠色T恤）與同事一起慶祝。


CERN總干事羅爾夫·迪特爾·霍耶爾對兩個地點(diǎn)的參會者以及觀看網(wǎng)絡(luò)直播的人表示歡迎。與2011年12月研討會的順序相反，這次CMS首先發(fā)言，由在此期間接任CMS發(fā)言人的喬·因坎德拉代表合作機(jī)構(gòu)發(fā)表講話。演講漸漸進(jìn)入高潮，當(dāng)因坎德拉轉(zhuǎn)向顯示超出的質(zhì)量和顯著性的幻燈片時，觀眾甚至在他發(fā)言結(jié)束前就爆發(fā)出了掌聲。至少，這些合作看到了一種新粒子。

這提示我們可以將文章公開了。我和我的同事們坐在主禮堂旁邊的理事會會議廳里，協(xié)助隨后舉行的新聞發(fā)布會。我們打開了CMS網(wǎng)站后臺的開關(guān)，開始在社交媒體上分享這篇文章。我們面前的大屏幕顯示，吉亞諾蒂很快開始講話，我們將注意力轉(zhuǎn)移到ATLAS的結(jié)果上。當(dāng)她向我們展示ATLAS觀測的質(zhì)量和顯著性時，我們的心砰砰直跳，并開始?xì)g呼。安德烈·戴維回憶說，作為CMS的年輕專家之一，他就在觀眾席的前排?！暗谝淮慰吹狡渌麍F(tuán)隊的結(jié)果，就像同時坐了好幾個過山車。我把這些點(diǎn)連接起來，將ATLAS的結(jié)果與我們自己的結(jié)果進(jìn)行比較，并意識到，這不僅僅是統(tǒng)計上的僥幸?！?/span>


4

后希格斯時代的歡呼
接下來的事情對我來說仍然是模糊的。新聞發(fā)布會在議會廳舉行，我們幾乎無法抑制自己的興奮。研討會和新聞發(fā)布會結(jié)束時已接近午餐時間，盡管我們中的許多人聚集在餐廳，但大多數(shù)人都興奮得吃不下飯。整個下午我們都在熱切地與同事和朋友聊天，并不急于回去工作。考慮到在過去幾周里每個參與者都投入了很長時間，沒有人拒絕沉浸在慶?；顒又?。我們中的一些人帶著滿足感看著傳統(tǒng)媒體和社交網(wǎng)絡(luò)上的喧囂。世界已經(jīng)永遠(yuǎn)地改變了，我們現(xiàn)在處于后希格斯時代。

盡管有了這些數(shù)據(jù)，但ATLAS和CMS都對當(dāng)天正式將其稱為 “希格斯玻色子” 持謹(jǐn)慎態(tài)度——新粒子被隱晦地描述為具有與希格斯玻色子一致的屬性。在接下來的幾個月里，兩個合作機(jī)構(gòu)都測量了該粒子的各種屬性，使他們能夠證實所觀察到的對象確實是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)測的希格斯玻色子。

2013年10月，在2012年的重大宣布后約15個月，CERN開始出現(xiàn)另一種不同的期待。關(guān)于當(dāng)年諾貝爾物理學(xué)獎的傳言已經(jīng)開始流傳。在沒有任何保證的情況下，我們還是準(zhǔn)備了慶?；顒?。我們中的一些人決定在CERN的40號樓CMS的一半屏幕上直播瑞典皇家科學(xué)院的公告，該屏幕通常顯示LHC和CMS探測器的狀態(tài)。

來自CMS和ATLAS的人群開始聚集在屏幕前的自助餐廳旁邊，當(dāng)宣布弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯將成為最新的諾貝爾獎獲得者時，整個大樓都回蕩著巨大的歡呼聲。人們舉起香檳酒杯，慶祝合作的實驗在2012年為證實1964年的理論工作所發(fā)揮的作用。

遺憾的是，CERN在此后的幾年里沒有舉行過其他類似意義的慶?；顒?。高能物理前沿的海洋里沒有發(fā)現(xiàn)新的粒子島。但這并不意味著希望已經(jīng)破滅。在寫這篇文章的時候，LHC即將開始另一次數(shù)據(jù)收集工作，這一次將更加接近加速器所設(shè)計的14 TeV的最大對撞能量。畢竟，在LHC的生命周期中，仍有超過95%的潛在數(shù)據(jù)量有待交付。希格斯玻色子已經(jīng)成為我們探索浩瀚未知的工具箱的重要組成部分，正如大衛(wèi)所說，“我們還幾乎沒有觸及到表面?！?nbsp;

“
作者簡介
Achintya Rao是阿蘭·圖靈研究所的社區(qū)經(jīng)理，也是英國布里斯托爾的自由撰稿科學(xué)作家。他曾在歐洲核子研究中心擔(dān)任過十多年的科學(xué)傳播員，最近獲得了布里斯托爾西英格蘭大學(xué)的科學(xué)傳播博士學(xué)位。
”
▲ 本文為 Physics World 專欄的第56篇文章。


原文標(biāo)題為 “A day in physics like no other ”，首發(fā)于2022年7月出版的 Physics World，英國物理學(xué)會出版社授權(quán)《知識分子》翻譯。未經(jīng)授權(quán)的翻譯是侵權(quán)行為，版權(quán)方將保留追究法律責(zé)任的權(quán)利。登陸 Physics World，關(guān)注日常全球科學(xué)新聞、熱點(diǎn)報道和評論。Physics World 幫助學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界的研究人員走在世界重大科研突破與跨學(xué)科研究的前沿。
原文鏈接：
https://physicsworld.com/a/discovering-the-higgs-boson-a-day-in-physics-like-no-other/

 翻譯對照表：（上下滑動可瀏覽）

法比奧拉·吉亞諾蒂 Fabiola Gianotti

緊湊型μ子線圈  Compact Muon Solenoid

奎多·托內(nèi)利 Guido Tonelli

安德烈·戴維 André David

羅爾夫·迪特爾·霍耶爾 Rolf-Dieter Heuer

喬·因坎德拉 Joe Incandela

弗朗索瓦·恩格勒 Fran?ois Englert

彼得·希格斯 Peter Higgs

制版編輯 | 姜絲鴨


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