“我们很难注意到它，希格斯场对我们来说就像是空气，对鱼来说，就像是水。”
——2013年诺贝尔物理学奖授奖发布会 [1]
人类总是朴素地期望着能用一条哲学原理，描述整个宇宙，并且坚定地相信越高级别的原理，其形式越简洁。于是在这条长达数千年的漫长道路上，展开了一个个壮丽的探险故事，从牛顿到麦克斯韦，从伽利略到爱因斯坦，属于人类的科学螺旋阶梯式地上升着。
现在我们知道，许多物理学家使用一种称为标准模型（Standard Model, SM）的量子理论描述自然，它涵盖夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子这些基本粒子，并基于规范场理论描述了四种基本相互作用中的三种：强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。其中三代夸克和轻子构建出现实世界的物质，这三代粒子在规范场中有完全一致的量子数，唯一的区别在其质量差，这是由希格斯场引起的。规范玻色子则承担起传递相互作用的重任，由胶子、光子和W/Z玻色子分别传递强相互作用，电磁相互作用和弱相互作用。标准模型已经可以精确地描述目前人类所能直接探知到的所有物质以及四种基本相互作用中的三种，可以说是人类智慧的一次伟大胜利了。
图1. 标准模型中的基本粒子
（图源：wikipedia）
其中希格斯玻色子的故事起源于1964年[2~4]，彼时的物理学家们正在努力解释自然界四种基本相互作用中的弱相互作用，所使用的工具正是量子场论（Quantum Field Theory, QTF）。
量子场论立足于经典场理论，是结合了量子力学和狭义相对论所形成的理论体系，数十年来一直是研究粒子物理的基本方法。举例来说，光子是人们最熟悉、接触最多的基本粒子，为了描述光子的性质，“波动说”和“粒子说”进行了长达数百年的论战。最终我们知道，光具有“波粒二象性”，即同时具有粒子性和波动性，两种学说不过是在不同的方法框架下对同一客体进行的描述。量子场论就致力于用一种“不太日常”的方法精确定量地解释微观的基本粒子世界，将包括光子在内的所有粒子描述为在“量子场”海洋表面的波动，对应着场的不同激发状态，而粒子之间的相互作用通过场方程的交互项进行描述。
图2. 量子场论中，粒子可以被描述为“场”中的波
（图源：Piotr Traczyk/CERN）
在量子场论之前，为了解释物质通过交换光子发生相互作用的种种现象（电磁相互作用），发展出了量子电动力学。使用量子场论的工具同样可以获得成功，而且前文提到，量子场论用相同的概念描述所有的粒子而非仅是光子，所以更有可能基于此搭建一套统一的规范。可是当我们用相近的方法意图描述弱相互作用时，一个难以克服的矛盾便会出现——试图统一电磁相互作用和弱相互作用的理论不允许粒子带有质量！但是不同于传递电磁相互作用的光子，W和Z玻色子，作为弱相互作用的信使，要在如此短程的情况下传递弱力，在弱相互作用理论下，它们必须带有质量。
图3. 两个电子通过交换光子发生电磁相互作用
（图源：Ana Tovar/CERN）
在这样简洁而宏大背景中，有一件极其重要但容易被忽略的组成部分——对称性。生活中有非常多的对称现象，比如许多图形在被旋转或翻转后和转换前并无任何不同，因此我们可以根据对称性事物的少量信息推知其全貌，这是通过局部特征描述整体特征的重要起点。 所以一个力图简单描述复杂宇宙的基本理论，非常自然地需要引入许多种对称性，举例来说，无论一个粒子是电子，缪子甚至是质子，只要其携带相同的电量（比如单位电荷），它们之间所发生的电磁相互作用总是完全相同的，不需要枚举以进行描述。而上文提到的不可调和的矛盾，正与这至关重要的对称性有极大的关联。
1964年接连发表的论文，现在被总结为“Brout-Englert-Higgs mechanism，BEH mechanism”的机制解决了这个矛盾，这个解决方案是革命性的。第一，引入了一个全新的量子场；第二，在至关重要的对称性上“动了手脚”。现在，标准模型把这个全新的量子场称作希格斯场，而第二点现在叫做自发对称性破缺。
图4. 2013年-瑞典斯德哥尔摩。彼得·希格斯正在讲述：我的第一篇文章被拒了，因为他和当时的主流理论研究方向相悖…[5]
让我们就着来自欧洲核子中心（European Council for Nuclear Research 或法语中的 Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire，简称为CERN）的科研人员制作的插图生动具象地感受一下自发对称破缺。平整的水平桌面上有一支铅笔笔尖向下站立着，这是一个完美的对称场景，可惜好景不长，这支铅笔立即倒了下来，打破了以其自身为轴的旋转对称性，进而选择了一个唯一的方向（倒下后指向的方向）。在这一过程中，物理理论是始终不变的，并未在具有对称性的方程中有意添加某个具有方向性的修正。
图5. （左图） “墨西哥帽”形状的希格斯场中的粒子和（右图）用笔尖站立的铅笔。展示了自发对称性破缺——对称，但瞬间破缺
（图源：Ana Tovar/CERN）
类比到赋予基本粒子质量的那个瞬间：宇宙诞生之时，希格斯场早已填充期间，只不过处在一种对称但不稳定的状态（左图中具有“墨西哥帽”形状的希格斯场势能的顶点）。在随后宇宙膨胀降温极短的时间内，聪明的场发现了能让自己更为舒适的稳定状态，于是决定就此躺平（滑到帽圈的谷底），尽管这将打破原初的对称性。BEH机制通过如此精巧的手段，在方程仍然保持对称的情况下，让被打破对称性的希格斯场赋予W/Z玻色子质量。当然，其他基本粒子同样通过和希格斯场的相互作用获得了质量。至此，标准模型实现了统一3种相互作用的伟大成就。虽然标准模型不是终点，但却发出了一种强有力的信号，给探索者以信心，正是因为有如此简洁却精确的基本理论存在于背后，才形成了我们今天所能观测到的“天行有常”的宇宙。
此时，细心的读者应该联想到，根据前文提到的量子场论，既然每一种粒子都可以用量子场中涌动的波描述，大胆引入一个新的场是否意味着引入了一个新的粒子？答案是肯定的。并且，通过相关的理论，有关该新粒子的性质也大部分能够被预言，因此，只要能够找到一种符合预言的新粒子，BEH机制所做的革命性努力就没有白费。并且，如果对该粒子进行进一步的深入研究，人们将对标准模型下的世界有更深刻的理解，包括基本粒子的起源，以及宇宙诞生初期，自发对称破缺的真正成因，进而一窥宇宙的起源。
在此小小地探讨一个题外话，因为有读者会认为，如此短寿命，且不组成任何物质的基本粒子，和我们的日常生活似乎毫无关联。首先，希格斯粒子赋予了基本粒子质量，进而构建了我们能感受到的一切，可谓是以一种无法感受的方式影响着一切。第二点，却是更加重要的一点，好奇心。和饥饿一样，好奇心作为人类的天性，极大地推动着人类作为一个种族的发展，这些基础物理学的研究直接地使人们更加靠近关于宇宙起源，自然演化的根本问题，满足着人们的好奇心。好奇心引起探索，探索带来新的知识，而更加深刻的见解总能够转化为生活方式的演进，比如1897年J.J.汤普森发现电子（这是历史上第一个被发现的基本粒子），仅仅一个世纪过去，我们已经无法想象如何在一个不知如何利用电子的社会中生存下去了，我想这应该也能有所启发。
希格斯玻色子常常被描述为标准模型的丢失拼图，这也展示了我们的基本粒子如何相互关联
（图源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）
当我们站在上帝视角回顾这一旅程，希格斯粒子的发现将会填满标准模型预测的基本粒子表，同时打开窥测自然原理的一扇大门，给人类带来了更多待解决的谜题。在此深入探讨这些谜题之前，应当先回顾一下2012年那激动人心的时刻，以及在这样重大的发现背后，阿尔卑斯山北麓百米深的地下，全世界物理学家的辛勤工作。
剧透：Fireworks on 4th July 2012
（2012年7月4日的“焰火表演”）
开启粒子物理与宇宙学的新纪元
（图源：CERN）
注：这是一个希格斯玻色子从对撞中产生并发生衰变时的场景，CMS实验中用于具象展示对撞事例的软件就叫做Fireworks，参考网页[6]可以使用CMS opendata看到2012年采集的具体事件
“就此，我们获得了标准模型的最后一块拼图，但显然不是宇宙奥秘的最后一块拼图……”
——2013年诺贝尔物理学奖授奖发布会 [1]
本文作为一个开端，简述了希格斯物理故事的第一篇章，希格斯机制如何在当时的理论面临困境时应运而生，成为填满标准模型的最后一块拼图。我们也应该时刻相信，希格斯玻色子的发现，不会是物理学的终点，而是下一个螺旋阶梯的起点。今年恰好是希格斯玻色子被发现十周年，在这十年间，科学家们对希格斯粒子进行了大量的卓具成效的研究，对其性质有了更加深刻的理解，同时也在加深人们对基本物理的认识，发展出更多高级的研究手段，打开了通向未知的多扇窗户。
参考链接：
[1] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2013/prize-announcement/ [OL] 2022.10.15
[2] F. Englert and R. Brout. “Broken Symme-try and the Mass of Gauge Vector Mesons”. In: Phys. Rev. Lett. 13 (1964). Ed. By J. C. Taylor, pp. 321–323. DOI: 10 . 1103 / PhysRevLett.13.321.
[3] Peter W. Higgs. “Broken symmetries, mass-less particles and gauge fields”. In: Phys.Lett. 12 (1964), pp. 132–133. DOI: 10.1016/0031-9163(64)91136-9.
[4] Peter W. Higgs. “Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons”. In: Phys.Rev. Lett. 13 (1964). Ed. by J. C. Taylor, pp. 508–509. DOI: 10 . 1103 / PhysRevLett .13.508.
[5] https://indico.cern.ch/event/763013/contributions/3358697/attachments/1813182/2962418/Higgs-1.pdf [OL] 2022.10.15
[6] https://opendata.cern.ch/ [OL] 2022.10.15
