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希格斯粒子发现10周年:物理史上与众不同的一天

导  读

在这篇文章中,曾在欧洲核子研究中心做过十多年科学传播的Achintya Rao,回忆了10年前欧洲核子研究中心(CERN)宣布发现希格斯玻色子的那一重大日子。
 

撰文|Achintya Rao

翻译|赵金瑜

审校|阮曼奇

责编|陈晓雪

图1 重大的日子:2012年7月4日,法比奥拉·吉亚诺蒂(前排,身穿红色上衣)在拥挤的 CERN 礼堂中引领掌声。

 

2012年7月4日午夜12点一刻,我正在急急忙忙地赶往当晚从瑞士日内瓦的粒子物理实验室欧洲核子研究中心(CERN)回家的最后一班车。过去的几个小时,我刚刚帮助完成了一篇重要文章的收尾工作(它最终被翻译成20种语言),它很快就会出现在紧凑型μ子线圈(CMS)实验室的网站。CMS是大型强子对撞机(LHC)的两个通用粒子探测器之一。

当我赶往车站时,我注意到CERN的主礼堂外已经开始排起了长队。一些有进取心的学生在入口处睡着了,他们渴望在当天上午9点开始的研讨会上获得珍稀的座位。外面的夜色晴朗而安静,但几个小时后,实验室就会变得热闹非凡。因为,今天是CMS和ATLAS(注:超环面仪,LHC探测器之一)合作宣布发现希格斯玻色子的日子。

 

1、一份提前到来的圣诞礼物?

人们在几个月前已经开始期待了,而且并不仅限于科学界。
2011年12月13日,在CERN的年终特别研讨会上,ATLAS发言人法比奥拉·吉亚诺蒂和CMS发言人奎多·托内利介绍了每个合作机构寻找希格斯玻色子的最新结果。多年来,CERN的研讨会一直得到公开广播,以服务于更广泛的高能物理学家群体,包括实验者和理论家。尽管这是一场技术性很强的研讨会,但它还是吸引了来自世界各地的数以万计的观众,包括许多记者。事实上,CERN的IT团队被迫为其流媒体服务分配了额外的资源,既是为了研讨会,也是为了准备任何潜在的发现可能在某一天引起的关注。
到2011年底,LHC已经为ATLAS和CMS提供了足够的对撞能量(7 TeV),使得合作机构能够在预计可以发现粒子的质量范围内进行搜寻。吉亚诺蒂一边说着,一边展示着ATLAS在寻找希格斯玻色子时排除的区域,掩饰不住自己的兴奋。然而,那些未经排除的区域仍然令人好奇。
在125 GeV附近出现了一个轻微的超出,其显著性为2.8σ——明显低于宣布新发现所需的5σ,但足以让在场的每个人看到希望,即粒子物理标准模型的最后一块拼图已经在我们的掌握之中。在随后托内利的展示中,CMS的数据显示了类似的超出。尽管两个合作机构都告诫说,需要更多的数据来确定这种超出是否的确与来自真实粒子的信号有关,而不是仅仅是背景波动的结果,但人们觉得圣诞节似乎提前到来了。
然而,更多的数据并没有立即出现。LHC是一个非常复杂的机器,需要定期维护。在12月的研讨会上,这个庞然大物正处于一年一度的 “冬眠期”,只有到了春天才会 “醒来”。
2012年2月,CERN宣布,该加速器当年将以8 TeV的能量碰撞质子,每束质子增加0.5 TeV;它还会在每秒产生更多的碰撞。ATLAS和CMS都在4月5日开始接收碰撞,当时LHC打破了自己的最高能量粒子对撞的记录。但是,这些新数据将要揭示的东西还会继续隐藏一段时间。

 

2、处于保密状态的双盲数据

在粒子加速器上寻找新的粒子涉及一些侦查工作。当两个质子在LHC中对撞时,它们可能会产生许多重粒子中的任何一种,包括以前未见过的粒子,如希格斯玻色子。但由于这些粒子不稳定,它们几乎在瞬间转变或 “衰变” 为更轻、更稳定的粒子,如轻子(电子或μ子)和强子(如中子)。这些衰变粒子以接近光速的速度穿过ATLAS/CMS探测器,在各个子探测器的敏感单元留下痕迹和能量沉积。
通过汇总数十亿次碰撞事件在探测器中留下的粒子轨迹和能量的最终状态,物理学家可以反过来确定碰撞中产生的原始粒子是什么。通常使用衰变产物的质量分布图来检查数据,数据中的显著凸起对应的是特定粒子的存在。
图2 关键事件:来自 CMS(上)和 ATLAS(下)的碰撞数据显示了与希格斯玻色子产生相关的特征。
 

在搜索希格斯玻色子的情况下,光子对和四个轻子的质量分布图至关重要。也就是说,搜索的重点是希格斯玻色子自行产生并转化为两个光子的情况;或者希格斯玻色子与Z玻色子一起产生,两者都转化为成对的轻子,最终产生四个轻子。在2011年12月的研讨会上,ATLAS和CMS都报告了两个数据集的轻微超出,因此在分析2012年记录的数据时采取了一定的预防措施。
为了防止潜意识的偏见产生优化分析,以增强2011年看到的信号,两个合作机构做了一个 “盲” 分析。之前被排除的大量区域的数据被用来优化整体数据的分析,而没有被排除的区域则留在隐喻性的盲区后面。由于希格斯玻色子的存在已经在大质量范围内被排除了,所以使用这些数据来减少噪音和微调数据处理是没有风险的。在科学家们对其分析方法感到满意之前,不会对感兴趣的质量区域进行分析。然后,作为 “揭盲” 过程的一部分,分析将扩展到整个数据集。
加速器方面的工作进展迅速。几个星期内,LHC提供的数据比它在2011年全年的数据还要多。6月15日,就在8 TeV数据首次送到的两个多月后,实验物理学家杨明明站在她的CMS同事面前,准备介绍揭盲“双光子”数据的结果。她说:“有了这个(数据),我的心脏跳得更快了”,她让我们聚集在一起,为接下来的15分钟做好准备。
这是 “希格斯到双光子” 工作小组以外的人第一次看到这些结果。杨展示的结果显示,从2011年和2012年的数据组合来看,双光子通道的超出已经突破了4σ。不到两周后,6月28日,现任CMS部门负责人的安德烈·戴维展示了同一个希格斯双光子通道的结果,但其中补充了在此期间收集的新数据。
当他站在CERN的主礼堂里参加CMS的内部演讲时,戴维指出,随着额外数据的补充,CMS所看到的125 GeV的超出现在具有4.1σ的显著性。完全揭盲的16小时后,他就在座无虚席的礼堂里发表了演讲。尽管我们CMS这边的人对ATLAS探测到的究竟是什么仍然一无所知,但我们很快就会知道他们的数据显示了什么。

 

3、举行发布会的房间

在2012年7月4日那个历史性的日子,睡了没几个小时后,我在早上6点15分乘坐电车回到了CERN。当我沿着走廊走向主礼堂时,我惊讶地看到门口排起了蜿蜒的队伍。我在前一天晚上看到的那些进取的学生仍然排在前面。长队从礼堂入口处蜿蜒到楼梯平台,然后沿着楼梯走下;经过邮局、银行和小卖部,进入CERN的1号餐厅;它一直延伸到指向阿尔卑斯山侧翼的咖啡机,然后继续前进,排出了餐厅。
由于礼堂前面的黄金位置已经预留给了高级研究人员和政要,排队的人多到可以把空位填满好几次。尽管知道他们没有办法进去,但排队的人脸上都挂着灿烂的笑容。最终,只有少数人能够进入礼堂,聚集的人群不得不分散到实验室的几个会议室,那里将直播主礼堂的会议活动。
多年来,CERN的主礼堂一直是许多著名讲座和科学声明的举办地。但是,它将见证粒子物理学史上从未有过的事情:来自世界各地的数十万人调到同一个频道,观看一场技术向的科学研讨会。人们原本打算在两年一度的国际高能物理会议(ICHEP)上公布ATLAS和CMS的最新结果,该会议当年在澳大利亚墨尔本举行。但CERN希望在 “家” 宣布这一发现,这导致了有史以来第一次在不同的大陆举行粒子物理学会议。尽管研讨会在瑞士日内瓦举行,但名义上是ICHEP会议的一部分,参会者在两个会场之间得到连接。
图3 发布会现场:2012年7月4日,欧洲核子研究中心宣布这一消息后,本文作者Achintya Rao(右,身穿绿色T恤)与同事一起庆祝。


CERN总干事罗尔夫·迪特尔·霍耶尔对两个地点的参会者以及观看网络直播的人表示欢迎。与2011年12月研讨会的顺序相反,这次CMS首先发言,由在此期间接任CMS发言人的乔·因坎德拉代表合作机构发表讲话。演讲渐渐进入高潮,当因坎德拉转向显示超出的质量和显著性的幻灯片时,观众甚至在他发言结束前就爆发出了掌声。至少,这些合作有一次是看到了一种新粒子。
这提示我们可以将文章公开了。我和我的同事们坐在主礼堂旁边的理事会会议厅里,协助随后举行的新闻发布会。我们打开了CMS网站后台的开关,开始在社交媒体上分享这篇文章。我们面前的大屏幕显示,吉亚诺蒂很快开始讲话,我们将注意力转移到ATLAS的结果上。当她向我们展示ATLAS观测的质量和显著性时,我们的心砰砰直跳,并开始欢呼。安德烈·戴维回忆说,作为CMS的年轻专家之一,他就在观众席的前排。“第一次看到其他团队的结果,就像同时坐了好几个过山车。我把这些点连接起来,将ATLAS的结果与我们自己的结果进行比较,并意识到,这不仅仅是统计上的侥幸。”

 

4、后希格斯时代的欢呼

接下来的事情对我来说仍然是模糊的。新闻发布会在议会厅举行,我们几乎无法抑制自己的兴奋。研讨会和新闻发布会结束时已接近午餐时间,尽管我们中的许多人聚集在餐厅,但大多数人都兴奋得吃不下饭。整个下午我们都在热切地与同事和朋友聊天,并不急于回去工作。考虑到在过去几周里每个参与者都投入了很长时间,没有人拒绝沉浸在庆祝活动中。我们中的一些人带着满足感看着传统媒体和社交网络上的喧嚣。世界已经永远地改变了,我们现在处于后希格斯时代。
尽管有了这些数据,但ATLAS和CMS都对当天正式将其称为 “希格斯玻色子” 持谨慎态度——新粒子被隐晦地描述为具有与希格斯玻色子一致的属性。在接下来的几个月里,两个合作机构都测量了该粒子的各种属性,使他们能够证实所观察到的实体确实是粒子物理学标准模型所预测的希格斯玻色子。
2013年10月,在2012年的重大宣布后约15个月,CERN开始出现另一种不同的期待。关于当年诺贝尔物理学奖的传言已经开始流传。在没有任何保证的情况下,我们还是准备了庆祝活动。我们中的一些人决定在CERN的40号楼CMS的一半屏幕上直播瑞典皇家科学院的公告,该屏幕通常显示LHC和CMS探测器的状态。
来自CMS和ATLAS的人群开始聚集在屏幕前的自助餐厅旁边,当宣布弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯将成为最新的诺贝尔奖获得者时,整个大楼都回荡着巨大的欢呼声。人们举起香槟酒杯,庆祝合作的实验在2012年为证实1964年的理论工作所发挥的作用。
遗憾的是,CERN在此后的几年里没有举行过其他类似意义的庆祝活动。高能物理前沿的海洋里没有发现新的粒子岛。但这并不意味着希望已经破灭。在写这篇文章的时候,LHC即将开始另一次数据收集工作,这一次将更加接近加速器所设计的14 TeV的最大对撞能量。毕竟,在LHC的生命周期中,仍有超过95%的潜在数据量有待交付。希格斯玻色子已经成为我们探索浩瀚未知的工具箱的重要组成部分,正如大卫所说,“我们还几乎没有触及到表面。”


作者简介

Achintya Rao是阿兰·图灵研究所的社区经理,也是英国布里斯托尔的自由撰稿科学作家。他曾在欧洲核子研究中心担任过十多年的科学传播员,最近获得了布里斯托尔西英格兰大学的科学传播博士学位。

原文标题为 “A day in physics like no other ”,首发于2022年7月出版的 Physics World,英国物理学会出版社授权《知识分子》翻译。未经授权的翻译是侵权行为,版权方将保留追究法律责任的权利。登陆 Physics World,关注日常全球科学新闻、热点报道和评论。Physics World 帮助学界与产业界的研究人员走在世界重大科研突破与跨学科研究的前沿。

原文链接:https://physicsworld.com/a/discovering-the-higgs-boson-a-day-in-physics-like-no-other/

 

翻译对照表:

法比奥拉·吉亚诺蒂 Fabiola Gianotti

紧凑型μ子线圈  Compact Muon Solenoid

奎多·托内利 Guido Tonelli

安德烈·戴维 André David

罗尔夫·迪特尔·霍耶尔 Rolf-Dieter Heuer

乔·因坎德拉 Joe Incandela

弗朗索瓦·恩格勒 François Englert

彼得·希格斯 Peter Higgs

 



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