上帝粒子的面纱：希格斯玻色子的科学传奇与未解之谜

粒子物理学的标准模型构建了人类认知微观世界的基础框架，它清晰划分夸克、轻子与玻色子三类基本粒子，精准描述强力、弱力与电磁力的作用规律。这个理论体系曾成功预言 62 种基本粒子的存在，随着实验技术的进步，绝大多数粒子陆续被观测证实，唯独解释物质质量起源的关键粒子始终隐匿无踪。这种粒子的缺失成为标准模型最显著的漏洞，也让物理学家们陷入长达半个世纪的追寻。它的最终发现不仅填补了理论空白，更重新定义了人类对宇宙本源的理解。

1964 年，英国物理学家彼得・希格斯在一篇论文中提出突破性假设：宇宙中遍布一种无形的量子场，基本粒子通过与这一量子场的相互作用获得质量，而这种场的量子化激发会形成一种新的玻色子。同一时期，比利时物理学家弗朗索瓦・恩格勒特等另外两组学者也独立提出类似理论，后世将这一赋予粒子质量的机制统称为希格斯机制。希格斯的论文最初遭遇退稿，历经波折才在美国《物理学评论》发表，谁也未曾料到，这篇一度被忽视的研究将成为粒子物理学的里程碑。

希格斯机制的核心在于 “自发对称性破缺” 这一物理现象。在规范场论中，传递作用力的规范玻色子必须保持质量为零才能满足规范对称性，例如传递电磁力的光子和传递强力的胶子均符合这一特性。但传递弱力的 W± 和 Z⁰玻色子却被观测到具有质量，这一矛盾成为电弱统一理论发展的阻碍。希格斯机制巧妙解决了这一难题：在宇宙大爆炸后的极短时间内，希格斯场处于高能对称状态，所有基本粒子均无质量；随着宇宙冷却，希格斯场跃迁到最低能量态，对称性自发破缺，与希格斯场发生相互作用的粒子获得质量，而光子等不发生作用的粒子则保持零质量状态。这种 “后天获得” 质量的方式既不破坏规范对称性，又与实验观测完全吻合。

费米子获得质量的方式与规范玻色子存在本质差异。通过汤川耦合效应，夸克、电子等费米子与希格斯场发生相互作用，其质量大小由相互作用的强度决定。这一机制解释了为何不同基本粒子质量差异悬殊：顶夸克质量约为 173GeV，而电子质量仅为 0.511MeV，这种百万倍的差距源于它们与希格斯场耦合强度的不同。希格斯玻色子作为希格斯场的振动模式，自身质量约为 125GeV，它的存在是希格斯机制成立的直接证据，因此被视作验证标准模型的 “最后一块拼图”。

寻找希格斯玻色子的过程堪称现代科学史上最艰巨的探索之一。由于这种粒子极不稳定，生成后会在 10⁻²² 秒内迅速衰变为其他粒子，且产生概率极低 —— 每万亿次粒子碰撞才可能出现一次有效信号。为捕捉这一微弱痕迹，欧洲核子研究中心（CERN）在瑞士与法国边境建造了周长 27 公里的大型强子对撞机（LHC），总投资达 1

00 亿元。LHC 通过将质子加速至接近光速后对撞，模拟宇宙早期的高能环境，再通过 ATLAS 和 CMS 两个大型探测器捕捉碰撞产生的粒子痕迹。

2012 年 7 月 4 日，CERN 正式宣布两个实验团队均探测到一种新粒子，其质量、自旋等特性与希格斯玻色子的理论预言高度吻合。这一发现引发全球科学界震动，美国《科学》杂志将其评为当年十大科学进展之首。2013 年，随着更多数据分析确认新粒子就是希格斯玻色子，希格斯与恩格勒特共同获得诺贝尔物理学奖。值得一提的是，希格斯本人并不认同 “上帝粒子” 这一俗称 —— 作为无神论者，他对这一称呼感到不适，同时谦虚地表示 “不配用我的名字命名这种粒子”。这位生活简朴、几乎不使用电子设备的科学家，用理论智慧照亮了微观世界的黑暗角落。

希格斯玻色子的发现并未终结探索，反而开启了新的科学前沿。标准模型虽能解释已知的基本物理现象，却无法涵盖引力，也不能解释暗物质、暗能量等宇宙学谜题，因此科学界普遍认为它并非终极理论。2025 年，CERN 的 CMS 实验合作组在《物理报告》发表的研究成果显示，利用 LHC 第二阶段实验数据对重共振态衰变产生希格斯玻色子的搜索中，未发现明显的新物理迹象，观测数据整体与标准模型预期相符。

这项研究聚焦三类关键新物理过程：重粒子衰变产生两个希格斯玻色子、一个希格斯玻色子加一个矢量玻色子，以及一个希格斯玻色子加未知共振态粒子。这些过程的存在可能指向扩展希格斯场、额外维度引力理论等新物理模型。中国科学院高能物理研究所王锦课题组在其中作出重要贡献，负责关键分析通道研究、构建联合统计分析框架，并完成 CMS 国际合作组的审核报告。研究通过引入先进的机器学习技术，显著提升了稀有信号的识别效率，在多个理论模型参数空间内给出迄今最强的排除限制。

2018 年，CERN 宣布首次观测到希格斯玻色子衰变为底夸克的过程，进一步验证了标准模型的预言。根据理论预测，约 60% 的希格斯玻色子会以这种方式衰变，这一 “常见衰变” 的捕获被视为希格斯玻色子研究的重要里程碑。但仍有诸多谜题待解：希格斯玻色子自身的质量来源是什么？它是否与暗物质存在相互作用？这些问题的答案或许隐藏在更高能量尺度的物理现象中，等待实验技术的突破。

希格斯玻色子的故事本质上是人类探索未知的缩影。从 1964 年的理论预言到 2012 年的实验证实，再到如今持续的前沿探索，几代物理学家用智慧与坚持搭建起连接理论与现实的桥梁。这种粒子的存在不仅解释了物质为何拥有质量，更让我们得以窥见宇宙诞生之初的奥秘。当大型强子对撞机不断产生新的数据，当机器学习等新技术助力信号识别，我们与终极物理规律的距离或许正在不断缩短，但那些尚未被解答的疑问，恰恰是科学最迷人的魅力所在。

常见问答

1. 为何希格斯玻色子被称作 “上帝粒子”？
2. 这一称呼源自美国物理学家利昂・莱德曼的科普著作，并非宗教隐喻。莱德曼用该名称强调其在物理学中的核心地位 —— 对理解物质结构至关重要且极难寻觅，这一说法经媒体传播后被广泛沿用，但预言者希格斯本人并不认同。美希格斯玻色子的发现为何能获诺贝尔奖？

它是粒子物理学标准模型预言的最后一种未被发现的粒子，其存在直接证实了希格斯机制的正确性，彻底解决了困扰物理学界数十年的 “基本粒子质量来源” 问题，完成了标准模型的理论闭环。

3. 中国科学家在希格斯玻色子研究中有哪些贡献？

中国科学院高能物理研究所是 CMS 实验合作组的重要成员，王锦课题组在重共振态衰变搜索研究中负责关键分析通道、构建统计分析框架，博士后王储完成的审核报告通过国际合作组认证，相关成果发表于《物理报告》。

4. 希格斯玻色子与日常生活有何关联？

其研究虽不直接应用于技术发明，但推动了大型对撞机、探测器制造、数据分析等领域的技术突破。更重要的是，它深化了人类对宇宙本源的认知，这种基础科学进步往往是未来技术革命的源头。

5. 既然已发现希格斯玻色子，为何还要持续研究？

标准模型并非终极理论，希格斯玻色子可能是连接已知物理规律与新物理的纽带。通过研究其衰变模式、与其他粒子的相互作用，有望发现暗物质线索、验证额外维度等新理论，揭开更多宇宙谜题。