从杠杆到量子 · 一部按时间走的物理学第 42 章 / 第七单元 · 物质与粒子

第 42 章 · 1964—今天

希格斯与未解之谜

粒子为什么有质量，人们花了四十八年才找到答案；找到之后，标准模型反而露出了更多它答不上来的问题。

阅读约 32 分钟两个可以动手的演示公式：2 个

序章第七单元 · 物质与粒子 · 5 / 5终章

时代速写2012 年 7 月 4 日，日内瓦郊外的礼堂

2012 年 7 月 4 日，星期三，欧洲核子研究中心（CERN）的礼堂坐满了人。听众席上有两位白发老人，比利时的弗朗索瓦·恩格勒（François Englert）和英国的彼得·希格斯（Peter Higgs）。四十八年前，他们各自写出了同一个想法。这一天，两人在 CERN 第一次见面¹。

台上先后站着两个实验组的发言人。ATLAS 组的法比奥拉·吉亚诺蒂（Fabiola Gianotti）说，他们在约 126 GeV 的质量处看到了一个新粒子的清楚迹象，统计上达到“5 sigma”；CMS 组的乔·因坎德拉（Joe Incandela）报告，他们在约 125 GeV 处也看到了 5 sigma 的信号²。两个组用的是两台不同的探测器、两套独立的分析，结论落在同一个地方。CERN 总干事罗尔夫—迪特尔·霍伊尔（Rolf-Dieter Heuer）说，人类对自然的理解到达了一个里程碑²。

这场研讨会本来只是墨尔本一个国际高能物理大会的“开场节目”²，却成了 21 世纪初物理学最受关注的一次发布。被找到的东西，后来被确认就是希格斯玻色子：标准模型预言过、却一直没被看到的最后一个粒子³。

这一章是第七单元的最后一章。它讲三件事。第一，希格斯粒子怎样在 1964 年被预言、又怎样在 2012 年被找到。第二，中微子怎样被发现有质量，这是标准模型身上第一道明显的裂缝。第三，粒子物理学家今天还在找什么：暗物质是什么粒子，宇宙为什么只剩下物质，引力怎样和量子力学放进同一个理论。

1930泡利写信给同行，提出一种几乎不和任何东西作用的中性粒子，后来叫中微子⁴。
1954CERN 成立，起初有 12 个创始国^5,6。
1964恩格勒与布绕特、希格斯、古拉尔尼克—哈根—基布尔三组人各自发表论文，提出后来叫“希格斯机制”的想法⁷。
1968戴维斯在美国一座金矿里测太阳中微子，只抓到预言的三分之一左右⁸。
1989CERN 的 LEP 对撞机开始运行；同年 3 月，伯纳斯—李写出万维网的第一份提案^9,10。
1998超级神冈实验报告大气中微子振荡，说明中微子有质量^4,11。
2008大型强子对撞机（LHC）首次通束，九天后发生事故¹²。
20123 月，大亚湾实验发现中微子的第三种振荡；7 月，ATLAS 和 CMS 宣布发现新粒子^13,2。
2013恩格勒与希格斯获诺贝尔物理学奖¹⁴。
2025LHCb 首次在重子衰变中看到物质与反物质的差别；江门中微子实验开始运行^15,16。

1962 — 1964问题：一个容不下质量的理论

第 41 章讲到，物理学家在 1960 年代想把电磁力和弱力写进同一个理论。这样的理论有一种很漂亮的数学对称性。麻烦在于，这种对称性要求传递力的粒子没有质量¹。传递电磁力的光子确实没有质量，这没问题。可弱力的作用距离极短，传递它的 W 和 Z 粒子必须很重¹。按诺贝尔奖委员会的说法，标准模型一度“像纸牌屋一样”面临倒塌¹。

1962一条死路

有一个看上去可行的出路，叫对称性自发破缺：方程本身是对称的，但它的最低能量状态并不对称。打个比方，一支铅笔笔尖朝下立在桌上，四面八方都一样；可它一倒下，总要倒向某一个方向。规律没有偏向，结果却有了方向。

1962 年，戈德斯通等人证明了一个定理：在相对论性的场论里，对称性一旦自发破缺，就一定会冒出没有质量、自旋为零的新粒子¹⁷。这种粒子本该很容易看到，可实验里从来没有出现过。如果直接在方程里硬加质量项，理论又会算出无穷大⁷。基布尔后来回忆，那时温伯格引了《李尔王》里的一句话来形容这个僵局：“无中只能生无。”⁷

转机来自一个看起来不相干的领域。1963 年，研究超导的安德森指出，超导体内部有类似的事情：本该无质量的模式会和电磁场纠缠在一起，变得“有质量”。他讨论的不是相对论性的理论，所以还不能证明戈德斯通定理能被绕过¹⁷。

1964三组人，同一个想法

1964 年夏秋，三组人几乎同时找到了绕过去的办法：先是布鲁塞尔自由大学的恩格勒和罗伯特·布绕特（Robert Brout），然后是爱丁堡大学的希格斯，最后是伦敦帝国理工学院的杰拉尔德·古拉尔尼克（Gerald Guralnik）、卡尔·哈根（Carl Hagen）和汤姆·基布尔（Tom Kibble）。三篇论文都发表在《物理评论快报》（PRL）上，后来这本期刊庆祝创刊 50 周年时，三篇都被选为当年最重要的论文⁷。

他们发现，定理的证明本身没错，但它暗含一个前提，而描述力的“规范理论”恰好不满足这个前提⁷。在规范理论里，那个本该无质量的粒子不会出现。它被传递力的粒子“吃掉”，变成了后者的一部分，于是传递力的粒子获得了质量^7,1。

希格斯这边的经过有些曲折。他的第一篇短文 7 月 27 日寄到 CERN 编辑的《物理快报》，9 月 15 日刊出。第二篇写出了具体的模型，也投给《物理快报》，却被退稿，理由是不值得快速发表。他修改后改投 PRL，被接受了¹⁷。审稿人后来才知道是南部阳一郎，他要求希格斯说明自己的工作和恩格勒—布绕特有什么关系。希格斯此前根本不知道那篇论文：布鲁塞尔组没有把预印本寄到爱丁堡。巧的是，恩格勒和布绕特的论文 8 月 31 日刊出，正是 PRL 收到希格斯修改稿的那一天¹⁷。

希格斯的修改稿在最后一段指出，这类理论还会留下一个有质量、自旋为零的粒子¹⁷。这就是后来的“希格斯玻色子”。基布尔回忆，1964 年这几篇论文几乎没人注意，在会上讲这个题目，常常招来怀疑⁷。那时大家更关心的是怎样给传递力的粒子质量，那个多出来的粒子只是个次要细节⁷。

后来的事第 41 章讲过：1967 年温伯格和萨拉姆把这个机制用进了弱电统一理论，1971 年特霍夫特证明这套理论不会算出无穷大，1983 年 CERN 找到了 W 和 Z⁷。到这时，标准模型几乎每一块都被验证了，只剩两块没找到：顶夸克，和希格斯玻色子。基布尔写道，从 1983 年起，希格斯粒子才变得举足轻重⁷。第 41 章讲过，顶夸克 1995 年被找到，此后希格斯就成了最后一块。

概念希格斯场到底做了什么

要理解希格斯机制，先要换一种看世界的方式。在量子场论里，空间里充满了各种看不见的场：电磁场、电子场、夸克场……我们说的“粒子”，是场里的一小份振动¹。光子是电磁场的一份振动，电子是电子场的一份振动。

希格斯场和其他场有一点不同。别的场在能量最低时都是零；希格斯场在能量最低时不是零。就算把一块空间里所有东西都拿走，它仍然在那里¹。诺贝尔奖委员会打了个比方：希格斯场对我们来说就像空气，对鱼来说就像水¹。

粒子在这片无处不在的场里穿行，和它作用得越强，就越“重”；作用越弱，就越轻；完全不理它的，比如光子，就没有质量^1,3。如果希格斯场突然消失，电子会变得没有质量，以光速飞散，原子和分子都无法形成¹。

“墨西哥帽”的一个横截面。真实的帽子是转一圈的，谷底是一整圈，小球可以停在其中任何一点，所以哪一点都不特殊。

那么这个场是怎样“变成不是零”的？诺贝尔奖委员会用了一顶墨西哥帽来比喻。宇宙刚诞生时，一切大概是对称的，希格斯场的能量曲线像一只圆碗，小球待在碗底正中，处处对称。后来，碗底中央鼓起一个包，变成墨西哥帽的形状。帽顶虽然仍然对称，却不稳定，小球滚落到帽檐下的谷底，停在离中心有一段距离的地方。这一步大约发生在大爆炸后 10⁻¹¹ 秒，像水结成冰一样，是一次相变¹。

理论的对称性并没有消失，只是被藏了起来。这次相变需要四个粒子参与：其中三个分别被 W⁺、W⁻ 和 Z 吞下，三者因此获得了质量；剩下的一个就是希格斯粒子¹。希格斯粒子是希格斯场本身的一份振动¹。要证明这片看不见的场真的存在，就得在某处用足够大的能量把它“敲”一下，让它振出一个粒子来。

GeV 是多重

粒子物理用能量单位来量质量，依据是 E = mc²（第 28 章讲过）。1 GeV 是十亿电子伏特。2012 年找到的希格斯粒子约 125 GeV，比质子重一百多倍¹。这也是它难找的原因之一：要造出这么重的东西，碰撞的能量必须足够大。

还有一点常被讲错。希格斯场给的是基本粒子的质量，比如电子和夸克。可你我身体的质量，绝大部分来自质子和中子，而质子、中子里三个夸克本身的质量加起来很小。美国杰斐逊实验室的说法是：普通物质的质量里，只有约 1% 来自和希格斯场的作用，其余约 99% 来自强力，也就是夸克和胶子在质子内部高速运动、相互束缚的能量¹⁸。没有希格斯场，原子造不出来；但你的体重，主要是强力“做”出来的。

1954 — 2013四十八年的搜寻

1954CERN：战后欧洲的一个实验室

CERN 成立于 1954 年，用诺贝尔奖委员会的话说，是为了在二战之后重建欧洲的科研，也重建欧洲国家之间的关系¹。1951 年 12 月，联合国教科文组织在巴黎开会，通过了第一项相关决议；1953 年，12 个国家签署了组织公约，1954 年 9 月 29 日公约生效^5,6。

公约第二条写得很清楚：这个组织“与军事需要的工作无关”，它的实验和理论研究成果“应予发表或以其他方式公开”⁶。核物理刚刚造出了原子弹，这个以“核子研究”为名的机构却在章程里写明不做军事研究、成果公开。今天 CERN 有 25 个成员国、11 个联系成员国¹⁹。

1989 — 2000LEP：先把门槛抬到 114 GeV

1985 年 2 月，CERN 开始在日内瓦郊外的地下挖一条环形隧道，三年后挖通，周长 27 公里。在英吉利海峡隧道之前，这是欧洲最大的土木工程。隧道里装的是大型正负电子对撞机（LEP），1989 年 7 月 14 日第一次通束⁹。

LEP 在约 100 GeV 的能量上运行了七年，造出了约 1700 万个 Z 粒子，把弱电理论检验得极其精细。它还得出一个重要结论：物质粒子只有三代，不多不少⁹。后来 LEP 升级到 209 GeV，一直在找希格斯粒子，到 2000 年 11 月 2 日关闭时也没找到⁹。它留下的结论是：如果标准模型的希格斯粒子存在，质量一定高于 114 GeV¹⁷。

1994 — 2008LHC：把质子加速到接近光速

LEP 拆走后，同一条隧道里装进了大型强子对撞机。CERN 理事会 1994 年 12 月批准这个项目，建造从 1996 年持续到 2008 年¹²。它把两束质子沿相反方向加速，让它们在四个点上迎头相撞。要让高速质子在 27 公里的环里拐弯，需要极强的磁场：环上装了 1232 块二极磁铁，每块长 15 米，用超导线圈绕成，工作温度 1.9 K，也就是零下 271.3 摄氏度，比外太空还冷¹²。

LHC 隧道内部，一排蓝色长筒沿弯曲的隧道延伸到远处，上方是电缆桥架和管道 — **LHC 隧道 3-4 扇区**，2009 年 10 月 5 日。蓝色的长筒里装着超导二极磁铁，每块长 15 米，一块接一块排满整个 27 公里的环¹²。注意隧道是弯的：远处的磁铁逐渐向左偏，这就是质子要转的弯。这张照片拍摄的地方，正是一年前发生事故的扇区；拍摄时距 LHC 重新对撞还有一个多月^12,20。Maximilien Brice（CERN），CC BY-SA 3.0 · Wikimedia Commons

2008九天后的事故

2008 年 9 月 10 日，质子第一次在 LHC 里转圈¹²。九天后的中午，工程师在 3-4 扇区做大电流调试，那时环里没有质子束。两块磁铁之间的一个电连接出了故障，形成一段有电阻的区域，接着打出电弧，击穿了装液氦的容器，大量氦气漏进隧道²⁰。CERN 10 月公布的分析说，最多有 5 块四极磁铁和 24 块二极磁铁需要修理；安全系统正常工作，没有人员受到威胁²⁰。当时的总干事艾马尔（Robert Aymar）承认，这次事故是没有预料到的²⁰。

修理花了一年多。2009 年 11 月 23 日，LHC 重新实现对撞；2010 年 3 月 30 日，质子以每对 7 TeV 的能量相撞，开始了正式的物理运行¹²。

2010 — 2012在十亿次碰撞里找一次

到 2012 年，每束质子的能量是 4 TeV，速度达到光速的 99.99999%；两束对撞的总能量是 8 TeV。探测器每秒能看到 4000 万次束团交会，每次碰撞喷出大约一千个粒子，其中值得仔细追查的不到十亿分之一¹。希格斯粒子大约每十亿次碰撞才产生一次，而且只存在约 10⁻²² 秒就衰变了²¹。所以没有人能直接“看见”它。物理学家只能找它的衰变产物，比如两个高能光子，或者四个 μ 子，再从这些碎片的能量和方向倒推出母体的质量²¹。

负责看的是两台巨大的探测器。ATLAS 长 46 米、高 25 米，重 7000 吨，是体积最大的粒子探测器；CMS 小一些，却重达 14 000 吨，里面的磁场有 4 特斯拉^22,23。两台机器设计思路不同，由两个互相独立、彼此竞争的合作组运行，2012 年时各有约 3000 名科学家¹⁴。两个组都看到同一个信号，才有说服力。

CMS 探测器中一次模拟碰撞的示意图，中心红黄色的轨迹向外放射，外圈是浅蓝色的能量沉积方块 — **一次“希格斯事例”的模拟图**，1997 年 10 月为 CMS 探测器制作。画面中心是两个质子相撞的地方，黄色和橙色的线是产生的带电粒子的轨迹，弯曲的那些是被磁场掰弯的；浅蓝色的小方块是粒子在探测器外层留下的能量。图中假想的希格斯粒子衰变成两束强子喷注和两个电子。这张图比真正的发现早了十五年，那时探测器还只存在于计算机里。Lucas Taylor / CERN，CC BY-SA 3.0 · Wikimedia Commons

20125σ 是什么意思

两个光子的事例里，绝大多数和希格斯粒子无关，是别的普通过程碰巧也造出了两个光子。这些叫本底。如果把每个事例算出的“双光子质量”画成直方图，本底是一条平滑下降的曲线；希格斯粒子如果存在，会在它的质量处叠上一个小小的鼓包。问题在于，本底自己也会随机起伏，偶尔也会凸起一块。怎样判断一个鼓包是真的？

粒子物理的办法是问一个反过来的问题：假如根本没有新粒子，只靠本底的随机起伏，冒出这么大一个鼓包的概率有多大？这个概率换算成正态分布的“几个标准差”，就是几个 σ（sigma）。粗略地说，显著性约等于信号的大小除以本底随机起伏的大小²⁴：

Z ≈ S ÷ √B

Z: 显著性，单位是“几个 σ”
S: 信号区里，新粒子多贡献的事例数
B: 同一区里本底的事例数
√B: 本底随机起伏的典型大小。数的东西越多，起伏的绝对值越大，但只按平方根增长

读法：数据量翻 4 倍，S 和 B 都翻 4 倍，Z 只翻 2 倍。想把 3σ 变成 5σ，数据要多出将近 3 倍。

5σ 对应的概率约为三百五十万分之一²¹。医学、心理学里常用的门槛是 5%，约合 1.64σ；粒子物理把门槛定得这样高，一个重要理由是历史：过去有很多 3σ、4σ 的“现象”，在数据增多之后消失了^24,25。下面这个演示可以让你亲手看到这一点。

在本底里找一个小鼓包演示 1 · 拖动滑块积累数据，点按钮重新抽样

数据量 5.0 fb⁻¹

这个演示只模拟双光子一个衰变道，数字是示意的。真实的分析要复杂得多，而且两个实验组合了好几个衰变道。2012 年 7 月，ATLAS 的结果是 5.9σ，相当于本底涨落出这么大信号的概率约六亿分之一；CMS 是 5.0σ，测得的质量为 125.3 GeV，误差不到 1 GeV^26,27。

还有一个容易被忽略的陷阱，叫“别处看看效应”（look-elsewhere effect）。如果你在 110 到 600 GeV 这么宽的范围里到处找鼓包，总会在某个地方碰到一次大的随机起伏。粒子物理学家考恩（Glen Cowan）在一份统计学讲义里算过，考虑到这一点，ATLAS 的 5.9σ 要打折扣，降到约 5.1σ²⁴。在演示里切换到“只有本底”，多点几次重新抽样，你会看到 2σ 左右的鼓包并不罕见。

这种事在 LHC 上真实发生过。2015 年底，ATLAS 在约 750 GeV 处看到一个双光子的超出，理论物理学家在几个月里写了大约 500 篇论文去解释它。2016 年 8 月，两个实验组带着约四倍的数据来到芝加哥的大会，鼓包不见了，它只是一次统计涨落²⁸。

2013确认，与诺贝尔奖

2012 年 7 月宣布的是“一个新粒子”，用词很谨慎。到 2013 年 3 月，用 2.5 倍的数据测出它的自旋为零，物理学家才确认它就是一个希格斯玻色子³。2013 年 10 月 8 日，诺贝尔物理学奖授予恩格勒和希格斯，表彰他们“在理论上发现了一种机制”，并写明这一机制“最近被 CERN 大型强子对撞机的 ATLAS 和 CMS 实验”所证实¹⁴。布绕特已于 2011 年 5 月去世，没能分享这个奖^1,29。古拉尔尼克、哈根和基布尔也没有获奖。

彼得·希格斯的肖像照，白发，深色西装和领带，黑色背景 — **彼得·希格斯**，2013 年 12 月 7 日，诺贝尔奖颁奖周期间，时年 84 岁。他 1960 年到爱丁堡大学任教，在那里做出了 1964 年的工作，1996 年退休；2024 年 4 月 8 日在家中去世³⁰。Bengt Nyman，CC BY 2.0 · Wikimedia Commons

之后几年，物理学家开始逐一检验这个粒子和其他粒子“打交道”的方式。按理论，粒子越重，和希格斯场的作用越强。2016 年，它和 τ 轻子的作用被看到；2018 年，它和最重的顶夸克、和底夸克的作用也被确认³。到目前为止，测到的都和标准模型的预言相符。

CERN 自己列出了几个还没回答的问题：希格斯粒子是不是唯一的一个？它能不能和自己作用？它的质量为什么出奇地小？它和暗物质、和物质—反物质不对称有没有关系？³

1930 — 2025中微子：标准模型的第一道裂缝

希格斯粒子补上了标准模型的最后一块。可就在人们找它的那些年，另一种粒子已经在这个模型身上撬开了一道缝。它就是中微子。

1930一个“没法探测”的粒子

1930 年 12 月，泡利给一群同行写信，抬头是“亲爱的放射性女士们先生们”。β 衰变里似乎有能量凭空丢失，他提出，也许有一种不带电、作用极弱、非常轻的粒子悄悄把能量带走了。按诺贝尔奖网站的介绍，泡利自己都不太相信，据说他说过，自己预言了一种探测不到的粒子⁴。费米把它写进了理论，取名中微子。1956 年 6 月，莱因斯和科温在核反应堆旁边真的探测到了它，给泡利发了一封电报⁴。

中微子几乎不和物质作用。每秒钟有上千万亿个中微子穿过你的身体，你毫无感觉；你身体里的钾-40 衰变，平均每秒也会放出约 5000 个⁴。在宇宙里，它的数量仅次于光子⁴。

1968太阳中微子少了三分之二

太阳靠氢聚变成氦发光，每次聚变都会放出中微子。1964 年，天体物理学家约翰·巴赫恰尔（John Bahcall）和化学家雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis Jr.）提议，直接去数这些中微子，检验太阳到底是不是这样发光的⁸。巴赫恰尔负责算太阳应该放出多少，戴维斯负责去抓。

戴维斯的办法很有化学家的风格。1965 年，他在南达科他州霍姆斯特克金矿地下 4850 英尺处放了一个大罐，装了 10 万加仑全氯乙烯，也就是干洗店用的清洗液³¹。偶尔有一个中微子撞上氯原子核，会把它变成一个放射性的氩-37 原子。戴维斯要做的，是定期从一个游泳池那么大的罐子里，把每个月几个氩原子找出来⁸。三十年里，他一共只抓到了约 2000 个太阳中微子³²。

1968 年第一批结果出来：只有预言的三分之一左右^8,31。这就是“太阳中微子问题”。可能的解释有三类：巴赫恰尔的计算错了；戴维斯的实验错了；或者中微子在从太阳到地球的路上发生了物理学家不知道的事⁸。1969 年，苏联的庞蒂科夫（Bruno Pontecorvo）和格里博夫提出了第三种可能，当时几乎没人当真⁸。

接下来二十多年，理论和实验都被反复核查，谁也没找出大错。1989 年，日本的神冈实验用一大罐纯水证实了缺额；1990 年代，意大利和俄罗斯的镓实验发现低能量的中微子也少了⁸。1997 年，人们用太阳表面的振荡测出了太阳内部的声速，和巴赫恰尔的太阳模型相差不到 0.1%⁸。太阳模型没错。问题只能出在中微子身上。

1998超级神冈：从脚下来的少了

决定性的线索来自另一类中微子。宇宙线撞上大气层，会在高空产生大量 μ 中微子。日本的超级神冈探测器 1996 年开始运行，它位于东京西北约 250 公里一座锌矿的地下 1000 米处：一个高、宽各 40 米的水罐，装着 5 万吨纯水，罐壁上装了 1 万 1 千多个光电倍增管⁴。水纯得惊人，光要走 70 米强度才减半⁴。中微子偶尔撞上水里的原子核或电子，打出一个高速带电粒子。它在水里跑得比水中的光还快（水中光速只有真空中的 75%），会拖出一圈淡蓝色的切伦科夫光。从光环的形状和亮度，可以判断中微子的种类和来的方向⁴。

大气中微子从四面八方来。从头顶来的，只走了大约几十公里；从脚下来的，要先穿过整个地球，走上万公里。地球几乎挡不住中微子，所以两个方向来的数目本该一样多。超级神冈头两年筛出约 5000 个中微子信号，结果是：从上方来的 μ 中微子明显多于从下方来的⁴。电子中微子的数目却和预期相符⁴。走得远的 μ 中微子，有时间在路上变成了另一种，最可能是 τ 中微子，而探测器看不到它^4,33。

1998 年 6 月 5 日，梶田隆章在日本高山举行的“中微子 98”大会上报告了这个结果。《今日物理》称之为当时关于中微子“变味”最有说服力的证据¹¹。这种来回变身叫中微子振荡。下面的演示用真实的参数，让你看看它和距离、能量的关系。

P = 1 − sin²(2θ) · sin²(1.27 · Δm² · L ÷ E)

P: 一个 μ 中微子走完这段路，到达时仍是 μ 中微子的概率
θ: 混合角，表示两种中微子“搅”在一起的程度。大气中微子的这个角接近 45°，sin²(2θ) 接近 1
Δm²: 两种中微子质量的平方差，约 2.4 × 10⁻³ eV²。如果中微子没有质量，它就是零，P 永远等于 1
L ÷ E: 飞行距离（公里）除以能量（GeV）。1.27 是换算单位用的系数

读法：变身的概率随 L ÷ E 来回起伏。走得越远、能量越低，越有机会变身；而能变身的前提是 Δm² 不为零，也就是中微子有质量。

公式和参数取自粒子数据组（PDG）的综述³⁴。这里把三种中微子简化成两种，只看最主要的效应。

中微子在路上变身演示 2 · 拖动滑块改变来向和能量

来向（天顶角） 150° 能量 1.0 GeV

把能量调到最高的 30 GeV 试试：一次振荡要走的路变长了，曲线只剩一道平缓的下坡，从头顶来的几乎不变，从脚下来的大多变了身。能量再往上，一次振荡需要的路程会超过地球的直径，变身就越来越少。真实的大气中微子能量有高有低，各种能量的效果叠在一起，才是超级神冈测到的结果。

2001SNO：总数没少，只是换了身份

大气中微子的结果指向振荡，可太阳中微子的问题还没最后解决。决定性的实验在加拿大。萨德伯里中微子观测站（SNO）建在安大略省一座镍矿的地下 2 公里，核心是 1000 吨重水，周围布了 9500 个光电倍增管，1999 年开始观测⁴。重水里的氢原子核多一个中子，这让中微子多了几种反应方式：有的反应只对电子中微子敏感，有的对三种中微子一视同仁⁴。

每秒钟有 600 多亿个太阳中微子穿过每平方厘米，SNO 头两年每天却只能抓到 3 个⁴。2001 年 6 月 18 日，SNO 合作组宣布：电子中微子只有预期的三分之一，可三种中微子加起来，正好等于巴赫恰尔算出的总数^8,4。中微子一个没少，只是有三分之二在路上换了身份。戴维斯三十年前的测量是对的，巴赫恰尔的计算也是对的。

2002 年，戴维斯和神冈实验的领导者小柴昌俊获诺贝尔物理学奖。小柴的神冈探测器还在 1987 年 2 月 23 日捉到了来自一颗超新星的 12 个中微子³²。2015 年，诺贝尔奖授予超级神冈的梶田隆章和 SNO 的阿瑟·麦克唐纳（Arthur McDonald）⁴。

为什么振荡这么要紧？因为标准模型原本要求中微子没有质量，而振荡只能在中微子有质量时发生。诺贝尔奖委员会说，这是标准模型身上第一道明显的裂缝⁴。中微子到底多重，至今还没直接测出来。德国的 KATRIN 实验 2025 年给出的上限是 0.45 电子伏特，约合 8 × 10⁻³⁷ 千克³⁵。可宇宙里中微子太多了，委员会估计，它们的质量加起来大约和所有可见恒星的质量相当⁴。

2012大亚湾：第三种振荡

超级神冈和 SNO 看到的是中微子的两种振荡。理论上还应该有第三种，对应一个叫 θ₁₃ 的混合角，可它一直没有被测出来¹³。中国科学院高能物理研究所在 2003 年提出在广东大亚湾核电站旁边测量它¹³。核反应堆会放出大量电子反中微子，在近处和远处各放几台探测器，比较数目，就能看出有多少在路上“消失”了³⁶。

2012 年 3 月 8 日，实验发言人王贻芳在北京宣布：用 6 台探测器 55 天的数据，测得 sin²2θ₁₃ = 0.092 ± 0.016（统计）± 0.005（系统），显著性 5.2σ，第三种振荡被发现了¹³。在 2 公里外的远点，约 6% 的电子反中微子在途中消失³⁶。王贻芳说，这是一种新的中微子振荡，而且“出人意料地大”³⁶。合作组来自中国大陆、美国、俄罗斯、捷克、香港和台湾的 40 多个机构³⁶。

大亚湾反中微子探测器内部，墙上排满金色半球形的光电倍增管，中间是透明的有机玻璃容器 — **大亚湾反中微子探测器的内部**，2012 年 10 月摄。四周墙上那些像水珠的金色半球是光电倍增管，负责捕捉一个反中微子在液体里引起的微弱闪光；中央透明的大桶是装闪烁液体的有机玻璃容器，桶内的骨架清晰可见³⁶。Roy Kaltschmidt，劳伦斯伯克利国家实验室，公有领域 · Wikimedia Commons

θ₁₃ 不为零很重要：只有这样，中微子和反中微子的振荡才可能不同，才有希望在中微子里找到物质与反物质的差别¹³。大亚湾之后，中国在广东江门的地下 700 米建了一台更大的探测器：2 万吨液体闪烁体，2 万只 20 英寸和 2.5 万只 3 英寸光电倍增管，距台山、阳江两座核电站 53 公里。它的主要目标是判断三种中微子谁重谁轻，2025 年 8 月 26 日正式开始取数，来自 17 个国家和地区的约 700 人参加¹⁶。三个月后，它用 59 天数据发布了第一个成果，把两个振荡参数的精度提高了 1.5 到 1.8 倍³⁷。

今天粒子物理还答不上来的问题

希格斯粒子找到了，中微子的质量也被证实了。标准模型对几乎所有加速器实验都给出了正确答案，可它显然不是故事的结尾。下面几个问题，都是粒子物理学家今天还在用仪器去追的。宇宙学怎样提出这些问题，第 29 章讲过；第 43 章会把物理学所有的大问题放在一起看。

暗物质是什么粒子

第 29 章讲过，天文学家从星系的转动发现，宇宙里有大量看不见的物质。按 CERN 的说法，暗物质约占宇宙的 27%，我们熟悉的普通物质只占约 5%，前者大约是后者的 6 倍³⁸。标准模型里没有一个粒子能扮演这个角色。

粒子物理学家有三条路去找它。第一条是在对撞机里造：如果碰撞中产生了暗物质粒子，它会一声不响地穿过探测器，带走一部分能量和动量。物理学家把所有看得见的碎片加起来，如果动量不平衡，就说明有东西溜走了³⁸。

一个热门的候选来自超对称理论。它设想每个已知粒子都有一个自旋差半个单位的“伙伴”，其中最轻的那个稳定、不带电、作用很弱，正好符合暗物质的要求；这个理论还能解释希格斯粒子为什么这么轻，并让三种力在极高能量下变得一样强³⁹。这么多好处，让很多人相信超对称粒子会在 LHC 上出现³⁹。可是到第二轮运行结束，CMS 在几乎所有能探到的范围里都没有找到它⁴⁰。

第二条路是等：如果银河系里充满暗物质粒子，地球每时每刻都在穿过它们，偶尔会有一个撞上原子核。为了挡住宇宙线的干扰，这类实验都躲在很深的地下。美国的 LZ 实验在南达科他州近一英里深的地下，用 10 吨液态氙等待这样的碰撞。2025 年 12 月，它公布了 417 天的数据：仍然没有看到暗物质粒子⁴¹。它反倒以 4.5σ 看到了来自太阳的中微子撞击氙原子核。这对物理学家是一个提醒：探测器灵敏到一定程度，中微子就会像一层“雾”，混进要找的信号里⁴¹。

中国的同类实验在四川凉山的锦屏地下实验室，头顶有 2400 米厚的岩石，是世界上岩石覆盖最深的地下实验室，宇宙线通量降到地面的千万分之一到亿分之一⁴²。2010 年一期投入使用，上海交通大学牵头的 PandaX 用液氙、清华大学牵头的 CDEX 用高纯锗，都在这里寻找暗物质⁴²。第三条路是在太空里找暗物质粒子相互湮灭的产物，这里不展开。

反物质到哪里去了

第 34 章讲过，狄拉克的方程预言了反物质，1932 年安德森在照片上看到了正电子。物理定律对物质和反物质几乎一视同仁，大爆炸时两者应该一样多，然后成对湮灭，只剩下光。可我们和星系都在这里。斯坦福直线加速器中心的一篇科普文章这样描述：宇宙诞生后约十亿分之一秒，每十亿对粒子和反粒子，才多出一个粒子；我们和恒星，都来自这一点点余数⁴³。

1967 年，苏联物理学家萨哈罗夫列出了产生这种不对称必须满足的三个条件，其中之一是物质和反物质的物理规律要有细微差别，叫 CP 破坏⁴³。这样的差别真的存在。1957 年李政道和杨振宁已经指出弱力分得清左右；1964 年，克罗宁和菲奇在布鲁克海文发现中性 K 介子的衰变连“左右加正反”的对称也破坏了，两人因此获 1980 年诺贝尔奖⁴⁴。此后，B 介子（2001 年）、D 介子（2019 年）里也看到了 CP 破坏；2025 年 3 月，LHCb 实验第一次在重子衰变里看到它，也就是在构成我们身体的那一类粒子里，差别约 2.5%，显著性 5.2σ¹⁵。

麻烦在于量不够。标准模型里的 CP 破坏，远远不足以解释今天宇宙里物质为什么这么多¹⁵。缺的那部分从哪儿来，没人知道。中微子是一个被寄予厚望的地方，这也是大亚湾和江门这些实验的长远目标之一¹³。

来了又走的“新物理”

这些年也有过几次让人兴奋的信号。前面说的 750 GeV 鼓包是一例。另一例是 μ 子的磁性。μ 子在磁场里会像小陀螺一样进动，美国布鲁克海文实验室在世纪之交测到，这个进动和标准模型的预言可能有出入⁴⁵。费米实验室把储存环运到芝加哥郊外重新测量，2025 年 6 月 3 日公布最终结果，精度达到十亿分之 127⁴⁵。可就在这几年，理论家用新的计算方法重算标准模型的预言，新的预言向实验值靠拢，“新物理”的证据随之减弱；理论家之间的分歧还没有完全消除⁴⁵。

引力：最后一块拼不上的

标准模型统一描述了四种基本力中的三种，引力不在里面¹。广义相对论把引力讲成时空的弯曲，量子力学把一切讲成离散的量子跳跃，两者在黑洞中心和宇宙最初的一刻正面相撞。物理学家提出了几种量子引力的方案，最主要的是弦论和圈量子引力，但都还没有实验检验⁴⁶。

难处在能量。量子引力的效应要在“普朗克能量”附近才明显，约为 1.22 × 10¹⁹ GeV⁴⁷。LHC 今天的对撞能量是 13.6 TeV，也就是约 1.4 × 10⁴ GeV¹²，两者相差约一千万亿倍。在可以预见的将来，没有哪台加速器能直接撞到那里。物理学家只能指望从别的地方找间接线索⁴⁶。

影响它怎么改变了世界

希格斯粒子和中微子振荡本身，到今天还没有变成任何一件产品。可为了找到它们，物理学家建起了一种新的工作方式，顺手造出了一些改变世界的东西。

一 · 万维网：为了让物理学家共享资料

1989 年 3 月，在 CERN 工作的英国科学家蒂姆·伯纳斯—李（Tim Berners-Lee）写了一份提案，题目是《信息管理：一个提议》。他要解决的是 CERN 的老问题：成千上万的科学家分散在世界各地的大学和研究所，资料散落在不同的计算机上，很难共享¹⁰。他的上司迈克·森德尔在提案上批了一句：“模糊，但令人兴奋。”⁴⁸

1990 年底，第一台网页服务器和第一个浏览器在 CERN 运行；1991 年 8 月，伯纳斯—李在互联网新闻组上公开了这套软件；同年 12 月，美国第一台网页服务器在斯坦福直线加速器中心上线，也是一个物理实验室¹⁰。1993 年 4 月 30 日，CERN 发表声明，放弃这套代码的一切知识产权，允许任何人使用、复制、修改和再分发⁴⁹。那年年底，全世界已知的网页服务器有 500 多台¹⁰。CERN 的胡格兰（Walter Hoogland）后来说，公开发布是万维网成功的根源⁴⁹。今天有 50 多亿人经常上网⁴⁹。

一台黑色 NeXT 工作站和显示器，机箱上贴着手写标签，旁边放着一份打印的提案和一本打开的书 — **世界上第一台网页服务器**，一台 NeXT 工作站，2005 年在 CERN 的展览馆展出。看**机箱上的白色标签**，红笔写着“这台机器是服务器，不要关机！！”，后半截已经磨掉。**左下角**那份打印稿，是 1989 年 3 月那份《信息管理：一个提议》的复印件^10,48。Coolcaesar，CC BY-SA 3.0 · Wikimedia Commons

二 · 一种新的合作方式

CERN 公约要求成果公开、不做军事研究⁶，这为一种新的科学组织方式定了调。ATLAS 今天有 5500 多人，来自 42 个国家的 245 个机构；CMS 也有约 5500 人，来自 54 个国家的 241 个机构^22,23。一篇发现论文的作者有几千人，没有一个人能单独宣称“是我发现的”。

LHC 的数据也由全世界一起处理。全球 LHC 计算网格连接了42 个国家的 170 多个站点，约 140 万个计算核心、1.5 EB 的存储，每天跑 200 多万个计算任务，供 1 万 2 千多名物理学家使用；CERN 自己只提供其中约 20% 的资源⁵⁰。

中国主导的中微子实验也用了类似的组织方式。大亚湾由中国的王贻芳和美国伯克利的陆锦标（Kam-Biu Luk）共同担任发言人³⁶；江门实验有 17 个国家和地区的 74 个机构参与¹⁶。

三 · 从粒子径迹到彩色 X 光

为了在 LHC 的碰撞里追踪粒子，CERN 和合作者发展了一种“混合像素探测器”：传感器和读出芯片分开制造，再焊在一起。由此衍生出的 Medipix 系列芯片，先后有 37 个研究机构参与研发，被 CERN 称为最成功的技术转移案例之一⁵¹。新西兰的 MARS Bioimaging 公司用 Medipix3 芯片做成了三维彩色 X 光扫描仪，2018 年拍出了第一张活人身体的三维彩色 X 光像。Medipix3 能做“能谱成像”，所以能给 X 光上色，拍出组织密度和成分的高清图像⁵¹。2021 年，这种扫描仪进入瑞士洛桑大学医院做国际临床试验⁵¹。

四 · 我们是“余数”

这一章的发现也改变了人看自己的方式。你身体里的钾每秒钟放出几千个中微子，它们穿过地球，飞向太空⁴。你身上的每一个原子，都来自大爆炸后那十亿分之一的“多余”⁴³；你的大部分体重，来自夸克和胶子被强力束缚的能量，而不是希格斯场¹⁸。标准模型能把这些讲得一清二楚，却说不出那十亿分之一是从哪里来的。

误解“上帝粒子”与“5σ 就是 99.99997% 确定”

误解一 · 希格斯粒子被叫作“上帝粒子”，因为它创造了万物

这个名字来自 1993 年诺贝尔奖得主莱昂·莱德曼（Leon Lederman）和作家迪克·特雷西（Dick Teresi）合写的科普书《上帝粒子》⁵²。流传最广的说法是：莱德曼本想叫它“该死的粒子”（goddamn particle），因为它太难找，出版社不同意，改成了“上帝粒子”。这个说法确实出自书里，可特雷西 2013 年接受美国全国公共广播电台采访时说，那是莱德曼开的玩笑，不是真的。按他的回忆，书名是他从莱德曼的讲稿里看到、拿来当暂定名的，莱德曼起初不同意，出版社却很喜欢⁵³。莱德曼后来解释，书里的“上帝”是对自然的比喻⁵²。不管哪种说法，这个名字都和宗教无关。

误解二 · 所有质量都来自希格斯场

希格斯场给的是电子、夸克、W 和 Z 这些基本粒子的质量。你的体重主要来自质子和中子，而它们约 99% 的质量来自强力的束缚能量，只有约 1% 和希格斯场有关¹⁸。

误解三 · 5σ 意味着“希格斯粒子存在的把握是 99.99997%”

5σ 回答的是另一个问题：假如没有新粒子，单靠本底的随机起伏，得到这么极端的数据有多难，答案约为三百五十万分之一²¹。它不是“新粒子不存在”的概率²⁴。一个结果是否可信，还要看系统误差有没有估准、有没有“到处找”造成的假象，以及两个独立实验能否互相印证^24,25。2012 年的发现之所以站得住，靠的是 ATLAS 和 CMS 两台不同的机器给出了同样的答案，后来又被更多数据确认^26,27,3。

误解四 · 希格斯的名字代表他一个人发现了这个机制

1964 年至少有三组六个人独立做出了这项工作，刊出顺序上恩格勒和布绕特在前^7,17。诺贝尔奖只颁给了恩格勒和希格斯，布绕特在颁奖前两年已经去世^1,29。这个粒子为什么最后以希格斯一个人命名，有不少历史偶然，这里不展开。

承上启下标准模型完成了，也露出了边

第 41 章结尾，标准模型的大部分零件已经找齐：夸克、轻子、传递三种力的粒子，1995 年又找到了最重的顶夸克。这一章补上了最后一块，希格斯玻色子，也解释了 W、Z 为什么有质量、光子为什么没有。几乎同时，中微子振荡证明标准模型并不完整。

这一章也是几条线会合的地方。第 29 章宇宙学那条线留下的暗物质问题，在这里变成了地下实验室里的液氙罐和对撞机里“丢失的能量”；第 34 章从狄拉克方程出发的反物质那条线，在这里变成了宇宙为什么只剩下物质的问题；第 28 章的 E = mc²，是对撞机能“造”出比质子重一百多倍的粒子的原因。引力那条线从第 4 章牛顿一直走到第 30 章的黑洞和引力波，至今没能和量子那条线接上。

第七单元到这里结束。下一章是全课的终章：从 2024 年诺贝尔物理学奖和人工智能里的物理思想讲起，回顾物理学今天的组织方式和尚未解决的大问题，再把这门课的七条线收拢起来。

自测五个问题

1. 1964 年的物理学家为什么需要希格斯机制？它解决了什么矛盾？

弱电理论的对称性要求传递力的粒子没有质量，可传递弱力的 W、Z 必须很重；而对称性自发破缺按戈德斯通定理又会产生从没见过的无质量粒子。希格斯机制说明，在规范理论里那个无质量粒子会被 W、Z 吞掉，使它们获得质量，同时理论仍然自洽，并留下一个有质量的希格斯粒子。

2. 在演示 1 里，数据量从 5 fb⁻¹ 增加到 20 fb⁻¹，预期显著性大约怎样变化？为什么？

大约翻一倍。信号 S 和本底 B 都和数据量成正比，显著性约为 S ÷ √B，所以只随数据量的平方根增长：数据多 4 倍，显著性多 2 倍。

3. 超级神冈为什么要比较“从头顶来”和“从脚下来”的中微子？

大气中微子从各个方向来的数目本应相同，地球又几乎挡不住它们。从头顶来的只飞了几十公里，从脚下来的穿过整个地球，飞了上万公里。如果脚下来的 μ 中微子变少，而电子中微子数目正常，就说明 μ 中微子在长路上变成了别的种类，也就是振荡。

4. 为什么说中微子振荡是标准模型的“第一道裂缝”？

振荡只能在不同中微子有不同质量时发生（公式里的 Δm² 不为零）。标准模型原本把中微子当作没有质量的粒子，所以振荡说明这个模型需要修改或扩充。

5. 有人说：“ATLAS 宣布 5σ，说明希格斯粒子存在的概率是 99.99997%。”这句话错在哪里？

5σ 的意思是：假如没有新粒子，只靠本底的随机起伏，得到这么大信号的概率约为三百五十万分之一。它说的是“没有新粒子时出现这种数据”的概率，不是“新粒子存在”的概率。真正让人相信的，还包括两个独立实验的互相印证和后续更多数据的确认。

参考来源本章依据

The Royal Swedish Academy of Sciences，Popular information: Here, at last!（2013 年诺贝尔物理学奖科普介绍），NobelPrize.org，2013。nobelprize.org
CERN，CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson（新闻稿），2012-07-04。home.cern
CERN，The Higgs boson。home.cern
The Royal Swedish Academy of Sciences，Popular information: The chameleons of space（2015 年诺贝尔物理学奖科普介绍），NobelPrize.org，2015。nobelprize.org
CERN，Our History。home.cern
CERN Council，Convention for the Establishment of a European Organization for Nuclear Research（1953）。council.web.cern.ch
T. W. B. Kibble，History of electroweak symmetry breaking，J. Phys.: Conf. Ser. 626 (2015) 012001。arxiv.org
John N. Bahcall，Solving the Mystery of the Missing Neutrinos，NobelPrize.org，2004。nobelprize.org
CERN，The Large Electron-Positron Collider。home.cern
CERN，A short history of the Web。home.cern
Physics Today，Strong Evidence for Flavor Oscillation in Atmospheric Neutrinos，AIP，1998。physicstoday.aip.org
CERN，The Large Hadron Collider。home.cern
中国科学院高能物理研究所，《大亚湾中微子实验发现新振荡模式》，2012。ihep.cas.cn
The Royal Swedish Academy of Sciences，Press release: The Nobel Prize in Physics 2013，NobelPrize.org，2013。nobelprize.org
LHCb Collaboration，Observation of the different behaviour of baryonic matter and antimatter，LHCb outreach，2025-03-25；Observation of charge–parity symmetry breaking in baryon decays，Nature 643 (2025) 1223。lhcb-outreach.web.cern.ch
中国科学院，《江门中微子实验正式运行》，2025-08-25。cas.cn
University of Edinburgh School of Physics and Astronomy，A Brief History of the Higgs Mechanism。ph.ed.ac.uk
Thomas Jefferson National Accelerator Facility，The Strength of the Strong Force，2022-08-02。jlab.org
CERN，Our Member States。home.cern
CERN，CERN releases analysis of LHC incident（新闻稿），2008-10-16。home.cern
CERN，How did we discover the Higgs boson?。home.cern
CERN，ATLAS。home.cern
CERN，CMS。home.cern
Glen Cowan，Statistics for Searches at the LHC，Royal Holloway, University of London，2013。arxiv.org
Louis Lyons，Discovering the Significance of 5σ，Imperial College / University of Oxford，2013。arxiv.org
ATLAS Collaboration，Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC，Phys. Lett. B 716 (2012) 1–29。arxiv.org
CMS Collaboration，Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC，Phys. Lett. B 716 (2012) 30–61。arxiv.org
Physics World，And so to bed for the 750 GeV bump，IOP Publishing，2016。physicsworld.com
Physics Today，Robert Brout（讣告），AIP，2011。physicstoday.aip.org
University of Edinburgh，Obituary: Pioneering scientist Professor Peter Higgs dies aged 94，2024。ed.ac.uk
Sanford Underground Research Facility，Davis Experiment。sanfordlab.org
The Royal Swedish Academy of Sciences，Press release: The Nobel Prize in Physics 2002，NobelPrize.org，2002。nobelprize.org
Super-Kamiokande Collaboration，Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos，Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 1562。arxiv.org
M. C. Gonzalez-Garcia, M. Yokoyama，Neutrino Masses, Mixing, and Oscillations，Particle Data Group, Review of Particle Physics，2024。pdg.lbl.gov
Karlsruhe Institute of Technology，Astroparticle Physics: Neutrinos Weigh Less than 0.45 Electronvolts（新闻稿），2025。kit.edu
Lawrence Berkeley National Laboratory，Announcing the First Results from Daya Bay: Discovery of a New Kind of Neutrino Transformation，2012-03-07。newscenter.lbl.gov
中国科学院，《江门中微子实验发布首个物理成果》，2025-11-19。cas.cn
CERN，Dark matter。home.cern
CERN，Supersymmetry。home.cern
CMS Collaboration，Supersymmetry searches in CMS Run 2: A complete review，2025。arxiv.org
Lawrence Berkeley National Laboratory，LZ Sets a World's Best in the Hunt for Galactic Dark Matter and Gets a New Look at Neutrinos from the Sun's Core，2025-12-08。newscenter.lbl.gov
清华大学，《锦屏地下实验室：在2400米岩层下等待暗物质“造访”》，2021；《世界最深、最大的极深地下实验室锦屏大设施投入科学运行》，2023。tsinghua.edu.cn ；tsinghua.edu.cn
Eric Sather，The Mystery of the Matter Asymmetry，SLAC Beam Line 26(1)，1996。slac.stanford.edu
The Royal Swedish Academy of Sciences，Press release: The Nobel Prize in Physics 1980，NobelPrize.org，1980。nobelprize.org
Fermilab，Muon g-2 announces most precise measurement of the magnetic anomaly of the muon，2025-06-03。news.fnal.gov
Steven Weinstein, Dean Rickles，Quantum Gravity，Stanford Encyclopedia of Philosophy，2005（2024 修订）。plato.stanford.edu
NIST，CODATA 2022: Planck mass energy equivalent in GeV。physics.nist.gov
CERN，Tim Berners-Lee's proposal（info.cern.ch）。info.cern.ch
CERN，30 years of a free and open Web，2023。home.cern
CERN，The Worldwide LHC Computing Grid (WLCG)。home.cern
CERN Knowledge Transfer，Medipix overview；New 3D colour X-rays made possible with CERN technology。kt.cern
University of Chicago News，Fermilab's Leon Lederman, Nobel-winning physicist, 1922–2018，2018。news.uchicago.edu
NPR，The Man Who Coined 'The God Particle' Explains: It Was A Joke!（对特雷西的采访文字稿），2013-03-15。npr.org

图片：均来自 Wikimedia Commons，许可见各图说明。