2012年6月14日深夜，參與大型強子對撞機專案的研究生和博士後研究人員開始仔細研究剛剛開放的資料快取。自位於日內瓦附近歐洲核子研究中心（CERN）的這臺巨型機器從漫長的冬季休眠中醒來後的幾個月裡，它一直在產生大量資料。但是，在大型強子對撞機（LHC）的兩個最大型實驗中工作的6000多名物理學家警惕無意中給他們的分析新增偏差。他們一致同意在6月中旬之前完全不瞭解結果——執行所謂的“盲”分析，屆時一切都將在夜間活動的狂潮中突然揭曉。
許多年輕科學家整夜工作，以理清新釋放的證據線索。儘管大型強子對撞機是一個為多個實驗提供支援的巨型對撞機，但只有兩個最大的實驗——ATLAS 和 CMS——被賦予了尋找希格斯玻色子的任務，這個長期尋求的粒子將完善粒子物理學的標準模型，即亞原子世界的理論描述。每個大型探測器都會記錄質子碰撞在其中心不斷噴射出的亞原子碎片；對這些殘餘物的詳細、獨立核算可以揭示轉瞬即逝的新現象，包括可能難以捉摸的希格斯玻色子。然而，探測器必須在粒子軌跡和能量沉積中篩選，同時忍受低能量背景粒子的穩定圍攻，這些粒子有可能淹沒潛在有趣的訊號。這就像用牙齒從消防水帶中飲水，同時試圖找出幾粒微小的金子。
幸運的是，科學家們知道他們在尋找什麼。在大型強子對撞機災難性的啟動之後——2008年大型強子對撞機上線僅九天，兩個磁體之間的電氣接頭升溫並熔化，引發了強烈的火花，刺穿了周圍的容器，釋放了數噸氦氣，並將數十個昂貴的超導磁體從支架上撕裂——對撞機在2011年期間一直在收集大量資料，足以捕捉到希格斯訊號的早期跡象。
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在2011年10月計劃中的冬季停機結束後，ATLAS 的發言人法比奧拉·賈諾蒂和我們中的一位（託內利），當時是 CMS 的發言人，在歐洲核子研究中心主禮堂向爆滿的觀眾發表了一次特別研討會。兩個探測器都獨立地在資料中發現了暗示性的峰值。
更重要的是，這些關於希格斯玻色子的暗示性線索相互印證。ATLAS 和 CMS 都報告了在預期背景之上發現了數十個事件，其中兩個光子以 1250 億電子伏特或 125 GeV 的總能量爆發出來。（GeV 是粒子物理學中質量和能量的標準單位，大約等於質子質量。）如果質子碰撞產生了壽命短暫的希格斯玻色子，它們可能已經衰變為這些光子。每個實驗還發現了一些過剩事件，其中四個帶電輕子（電子或μ子）攜帶了類似的總能量。這些也可能是希格斯玻色子的結果[見下頁方框]。如此一致的訊號是前所未有的。這表明真實的東西開始在資料中顯現出來。
然而，鑑於粒子物理學的嚴格規範，2011 年觀察到的所有訊號都不足以聲稱“發現”。像這樣的資料峰值和隆起經常被證明是短暫的，僅僅是隨機波動。成功的 2012 年春季執行在 11 周內產生的質子碰撞次數超過了 2011 年全年的總和，這本可以輕易地衝刷掉新生的資料峰值，將它們淹沒在背景噪聲中。
當然，相反的情況也可能發生。如果這些隆起是實際的希格斯玻色子的結果，而不僅僅是殘酷的統計偽像，那麼所有新資料都給了研究人員很好的機會能夠聲稱一項官方發現——結束這場長達數十年的 खोज，並開啟我們對物質和宇宙理解的全新時代。
長達三十年的 खोज
希格斯玻色子絕不僅僅是另一種粒子，它是被稱為標準模型的宏偉知識體系的基石，標準模型是構成現代粒子物理學的相互關聯的理論集合。這個粒子的存在是 1964 年由愛丁堡大學的彼得·W·希格斯提出的，它是一種微妙機制的結果——由布魯塞爾的弗朗索瓦·恩格勒和羅伯特·布魯特以及倫敦的三位理論家獨立構思的——賦予基本粒子質量。希格斯玻色子是一種虛無縹緲的流體（稱為希格斯場）的物理表現，它滲透到宇宙的每個角落，並賦予基本粒子獨特的質量。隨著 20 世紀 70 年代夸克和膠子的發現以及 20 世紀 80 年代早期攜帶弱力的巨型 W 和 Z 玻色子的發現，標準模型的大部分元素都已完全到位。
儘管理論家斷言希格斯玻色子——或類似的東西——必然存在，但他們無法預測它的質量可能是多少。由於這個原因和其他原因，研究人員幾乎沒有關於在哪裡尋找它的線索。早期候選者，質量小於質子質量的九倍，於 1984 年在德國漢堡一個經過翻新的低能量電子-正電子對撞機中出現。然而，在進一步研究後，證據逐漸消失。
大多數理論家都同意希格斯質量應該高出 10 到 100 倍。如果是這樣，發現它將需要比費米國家實驗室的萬億電子伏特加速器更大的、能量更高的粒子對撞機，這是一個 1983 年完成的 6 公里質子-反質子對撞機。同年，歐洲核子研究中心開始建造耗資數十億美元的大型電子正電子對撞機（LEP），在靠近日內瓦的法瑞邊境四次穿越的 27 公里圓形隧道中鑽孔。儘管 LEP 有其他重要的物理目標，但希格斯玻色子是其目標清單上的首要任務。
在美國，粒子物理學家受到里根政府“敢於大想”的鼓勵，在 20 世紀 80 年代後期推動了更大、耗資數十億美元的機器——超導超級對撞機（SSC）的宏偉計劃。超導超級對撞機（SSC）的質子-質子碰撞能量為 40 萬億電子伏特（40 TeV 或 40,000 GeV），旨在追蹤希格斯玻色子，即使它的質量接近 1,000 GeV。
但在超導超級對撞機（SSC）的預計價格幾乎翻了一番，達到 100 億美元后，國會在 1993 年投票否決了它。美國希格斯 खोज者感到沮喪，此後又回到費米實驗室和歐洲核子研究中心繼續這項研究。LEP 和萬億電子伏特加速器（Tevatron）的發現和精確測量很快暗示希格斯玻色子不應超過 200 GeV，這使其有可能在這些對撞機的範圍內。然而，在十多年的 खोज中，物理學家沒有找到任何持久的希格斯類資料峰值的證據。
在 2000 年夏季的最後 LEP 執行期間，物理學家決定將碰撞能量推高到機器設計處理能力之外。就在那時，希格斯玻色子的暗示開始出現。9 月，四個 LEP 實驗中的兩個報告了證據，表明存在 Z 玻色子加上另一個神秘粒子，該粒子衰變為兩個底夸克——一種看起來很像 115-GeV 希格斯玻色子的粒子。歐洲核子研究中心當時的負責人盧西亞諾·邁亞尼批准了該機器在當年秋季延長六週的執行時間，但在那段時間裡，研究人員只能挖掘出一個以上的候選事件。這還不夠充分。經過激烈的辯論，邁亞尼決定關閉 LEP，並開始按計劃將其改造為大型強子對撞機（LHC），這是一種旨在尋找希格斯玻色子的機器。
逼近發現
大型強子對撞機（LHC）是有史以來組裝的最壯觀的先進技術集合。它由數百名加速器物理學家和工程師在專案經理林登·埃文斯的領導下，在原來的 LEP 隧道內建造，幾乎沒有使用該對撞機的任何東西。它的主要元件包括 1200 多個超導偶極磁體——閃亮的 15 米長圓柱體，每個價值近 100 萬美元。它們可能是批次生產的最精密元件，由法國、德國和義大利的公司生產，它們容納了雙束管，雙束管的兩側是浸泡在 1.9 開爾文或 -271 攝氏度的液氦中的鈮鈦磁體線圈。在內部，雙質子束以高達 7 TeV 的能量和接近光速的速度在兩個方向上迴圈。
這些光束類似於脈衝雷射而不是手電筒。每個光束由近 1400 個“束團”組成，每個束團包含多達 1500 億個質子——大約相當於銀河系中恆星的數量。在正常執行情況下，每次束團交叉期間會發生 10 到 30 次質子碰撞。然而，這相當於每秒約 5 億次碰撞。
質子碰撞比電子-正電子碰撞混亂得多。加州理工學院的理論家理查德·費曼曾將這個過程比作將垃圾桶撞入垃圾桶，這意味著會產生大量垃圾。質子是由夸克和膠子組成的複合物體；在最有趣的事件中，兩個膠子以高於 100 GeV 且偶爾高達 1 TeV 的能量發生碰撞。物理學家在精密的探測器、定製的電子裝置和最先進的計算機的幫助下，試圖從數十億個枯燥、無趣的事件中篩選出少數與有趣物理學相對應的事件。
ATLAS 和 CMS 實驗無法直接觀察到希格斯玻色子——它會非常迅速地衰變為其他粒子。他們尋找它是在內部產生的證據。根據希格斯玻色子的質量，它可能會以多種方式衰變為更輕的粒子[見上方方框]。2011 年，人們的注意力開始集中在其罕見的衰變為兩個光子和四個帶電輕子上，因為這些訊號將在巨大的背景下顯得格外突出，這些背景很容易淹沒希格斯訊號。
2008 年磁體災難造成的延誤給了費米實驗室的物理學家最後一次發現希格斯玻色子的機會。就在計劃於 2011 年 9 月關閉萬億電子伏特加速器（Tevatron）之前，該對撞機的 CDF 和 D-Zero 實驗報告說，在 125 至 155 GeV 的總能量下，底夸克對出現的事件略有超出。但與 LEP 關閉時一樣，研究人員無法說服實驗室主任批准他們暫緩關閉，萬億電子伏特加速器（Tevatron）很快就被關閉了[參見蒂姆·福爾格的“等待希格斯玻色子”；《大眾科學》，2011 年 10 月]。（今年 3 月，這些物理學家報告了一項更詳細的分析，顯示在 125 GeV 處有一個凸起，加強了歐洲核子研究中心的結果。）
跨越界限
到 2012 年 5 月，由於加速器主任斯蒂芬·邁爾斯領導的物理學家和操作人員的努力，大型強子對撞機（LHC）產生資料的速度比萬億電子伏特加速器（Tevatron）曾經達到的速度快 15 倍。這次執行是數千名 ATLAS 和 CMS 物理學家二十年工作的結晶，他們建造並執行探測器，設計並管理一個在世界各地分發資料的計算機系統，建立了新穎的硬體和計算機軟體來識別最有趣的碰撞，並編寫了演算法，從正在記錄的大量資料中挖掘出最相關的事件。他們都狂熱地工作，期待著一項發現。因此，當研究人員在 6 月中旬開啟他們的資料集時，他們有大量事件需要篩選。在研究生和博士後通宵工作後，他們焦急地準備揭示已經發現的東西。
6 月 15 日，在一個炎熱的下午，CMS 物理學家開始聚集在歐洲核子研究中心過濾廠的 222 房間，聽取年輕物理學家的報告。很快，房間裡擠滿了數百名合作成員——總共約 3,000 人——其中許多人站著或坐在地板上。前一天晚上，幾乎沒有人睡多少覺。緊張和興奮籠罩著房間。
第一位發言人討論了一種可能的希格斯衰變途徑，或“通道”，即衰變為 W 玻色子對。在最受關注的低質量區域出現了一個小的過剩事件，但微弱的訊號並沒有引起太大的興奮。然後，關於罕見的四輕子和雙光子衰變的演示接踵而至。現在看來，希格斯玻色子終於要出現了。來自 2012 年資料的訊號再次出現在相同的附近區域——接近 125 GeV——這在六個月前曾如此誘惑研究人員。科學家們幾乎立即意識到，如果他們將新資料與 2011 年的結果結合起來，CMS 很有可能聲稱發現了希格斯玻色子。在兩個關鍵演示結束時，人群歡呼起來。
類似型別的啟示也發生在 ATLAS 實驗中。當幾個小組檢視新資料時，自發的慶祝活動爆發了。然而，物理學家們花了超過一週的漫長工作日和不眠之夜才確信他們可以得出結論，即這些事件是隨機波動的結果的可能性小於三百萬分之一——這符合粒子物理學家堅持聲稱發現的嚴格“五西格瑪”標準。響亮的掌聲和喜悅的呼喊聲迎接了這一認識時刻。
到那時，發現的訊息已經洩露出去。全球範圍內的興趣開始變得如此濃厚，以至於保密被放在首位。在正式訊息公佈之前，不得再洩露任何訊息，尤其是因為正在準備的檔案的確切內容可能會發生變化。ATLAS 成員不應該與 CMS 物理學家談論最近的結果，反之亦然。然而，個別物理學家無法抗拒討論許多人期待已久的訊息。歐洲核子研究中心自助餐廳和走廊裡壓低聲音的談話表明，大事即將發生。公開的壓力越來越大。
歐洲核子研究中心主任羅爾夫-迪特·豪爾在 6 月 22 日與賈諾蒂和加利福尼亞大學聖巴巴拉分校的約瑟夫·因坎德拉（託內利的 CMS 發言人繼任者）的會議上初步瞭解了調查結果。豪爾認為證據足夠有力，可以公開。他立即通知歐洲核子研究中心理事會（其理事機構），讓他們瞭解快速發展的態勢。然後，豪爾決定於 7 月 4 日在歐洲核子研究中心舉行一次聯合研討會，時間與在澳大利亞墨爾本舉行的第 36 屆國際高能物理會議開幕式同時，隨後舉行歐洲核子研究中心新聞釋出會。
在研討會前一天晚上，數百名物理學家在鎖著的主禮堂外的走廊裡不安地打盹，拼命希望獲得裡面剩餘的非預訂座位之一。邁爾斯、埃文斯和自大型強子對撞機（LHC）構想以來就深度參與其中的四位前歐洲核子研究中心主任坐在前排。彼得·希格斯剛剛飛抵日內瓦，走進會場，受到熱烈的、持久的掌聲，並坐在恩格勒旁邊。
因坎德拉，然後是賈諾蒂，展示了大量關於新資料和結果的幻燈片，主要涵蓋 2012 年的測量結果。與 12 月一樣，雙光子資料的圖表顯示，在 125 至 126 GeV 處突出了明顯的峰值。這一次，實驗中還有十幾個額外的事件，其中一個重粒子在 125 GeV 處爆炸成四個帶電輕子。在該通道中，微妙的峰值也開始形成。
這最終確定了結果。CMS 和 ATLAS 將此結果與雙光子結果相結合，獨立地得出結論，認為該幻影是由於隨機波動造成的可能性小於三百萬分之一。這一定是真的。當鏡頭轉向希格斯時，可以看到他掏出手帕擦拭眼淚。
“我認為我們找到了，”豪爾總結研討會時興高采烈地說，掌聲經久不息。“我們有一項發現，”他繼續說道，最後謹慎地使用了這個詞。“我們觀察到一個與希格斯玻色子一致的新粒子。”
物理學的新時代？
現在很少有物理學家懷疑已經出現了一個重型新粒子。但這究竟可能是什麼樣的粒子呢？歐洲核子研究中心的物理學家在這個問題上謹慎地發言，稱其為“類希格斯玻色子”，並堅持認為需要更多資料來確定其性質。歐洲核子研究中心尚未最終證明新粒子具有標準模型要求的零“自旋”特性——儘管與 7 月 2 日釋出的最新萬億電子伏特加速器（Tevatron）資料（顯然是為了分享聚光燈）的比較表明這是真的。ATLAS 和 CMS 實驗也收集了比預期更多的雙光子事件。是否有什麼地方不對勁？或者這種過剩是否暗示著有趣的新物理學？
目前，實驗和理論方面的注意力都集中在解決新粒子是否確實是標準模型預測的“那個”希格斯玻色子。這個問題可以透過獲取更多資料並準確測量這種新粒子如何衰變為其他粒子來解決。7 月下旬提交的官方出版物包括進一步的衰變通道，這些通道與標準模型並不矛盾。CMS 仍然報告了一項五西格瑪發現，而 ATLAS 的結果變得更加有力。歐洲核子研究中心的理論家約翰·埃利斯和特馮·遊對大型強子對撞機（LHC）和萬億電子伏特加速器（Tevatron）資料的早期分析表明，正如他們所說，新粒子“確實非常像希格斯玻色子那樣行走和嘎嘎叫”。
新粒子與一對高能光子的聯絡激發了人們的興趣。由於希格斯場賦予基本粒子質量，因此它應該與較重的粒子相互作用更強。光子沒有質量，因此希格斯玻色子透過涉及其他重粒子的機制產生光子。額外的重粒子（超對稱和其他理論要求）可能會增強這個過程——根據早期資料，情況似乎正在發生。如果這種趨勢持續下去，它將強烈暗示超出標準模型描述的物理學[參見克里斯·奎格的“粒子物理學即將到來的革命”；《大眾科學》，2008 年 2 月]。
這個粒子的劃時代發現標誌著粒子物理學漫長時代的結束，以及研究 TeV 能量尺度現象的激動人心的新階段的開始。在經歷了數十年的低迷之後，理論與實驗之間令人興奮的交流再次激發了這門學科的活力。關於這種迷人的粒子或其潛在夥伴的進一步研究可能會找到答案的疑問比比皆是。它是否在被認為是驅動宇宙大爆炸起源的力量的暴脹機制中發揮作用？它是否與被認為居住在宇宙中的暗物質粒子相互作用？如果存在，什麼更高能量的機制或過程可以保護脆弱的真空免受可能威脅我們生存的不穩定性的影響？
儘管我們慶祝標準模型的勝利，但如此輕型的希格斯玻色子應該對超出它的物理學極其敏感。該粒子為進一步實驗打開了一個絕妙的新實驗室。它的特性是否完全如預測的那樣？早期資料中明顯的差異可能是隨機波動，在未來幾個月內會消失。或者，它們可能正在提供關於有趣的新物理學的微妙暗示。