7月4日—發現希格斯粒子
2012年的今天，全世界的物理學家與各家媒體莫不屏息以待，因為歐洲核子研究組織（CERN）即將舉行希格斯粒子的專題發表會與記者會。由於六月時就有傳聞說大強子對撞機（Large Hadron Collider , 簡稱LHC）似乎撞出了不尋常的訊號，加上這次記者會希格斯（Peter W. Higgs）本人與幾位相關的物理學家也都受邀出席，大家幾乎可以肯定有大事要發生了！。
1960年代，物理學家用夸克、電子、微中子、光子、……等基本粒子，建立了粒子物理的標準模型，不但可以描述物質的組成，也一併解釋了幾個基本的作用力如何產生。例如強核力（讓原子核內的質子與中子結合在在一起）的媒介是膠子、弱核力則是透過W玻色子及Z玻色子讓放射性元素產生衰變，而電磁力是光子的交換。
標準模型可說是最成功的理論模型，關於這三種基本作用力的實驗結果都和這套理論吻合，而且模型所預測的那些應該存在的粒子，也果真在二十年內一一於粒子對撞實驗中現身。不過有個問題未能解決：負責傳遞傳遞作用力的粒子屬於波色子，理論上應該沒有質量，但是實驗卻顯示W玻色子及Z玻色子有質量，這個矛盾該如何解釋？
希格斯於1929年5月29日出生於英格蘭，在倫敦國王學院取得物理博士學位後，輾轉任職於幾間大學後，於1960年到愛丁堡大學任教。針對標準模型這個問題，他1964年發表論文，主張空間中遍布著一種後來稱為「希格斯場」的量子場，波色子本身雖然沒有質量，但運動時卻會和希格斯場產生交互作用而慢了下來，這種「阻力」就相當於它的質量，而交互作用會造成希格斯場量子激發，產生「希格斯玻色子」或「希格斯粒子」。
當時還有另外五位物理學家也提出類似的主張，不過這個機制後來還是叫「希格斯機制」。物理學家後來發現夸克、電子、……等粒子的質量也可以用希格斯機制加以解釋，使得標準模型更加完善。只不過怎麼知道希格斯機制是對的？最直接的方式當然是證明希格斯粒子的存在。問題是理論上希格斯粒子的質量非常大，而且瞬間就衰變為其它粒子，必須用極高能量的粒子加速器才有機會從蛛絲馬跡中判定它曾出現。直到1980年代仍然沒有這樣的加速器，希格斯機制還只是個令人存疑的假說。
1983年美國計畫在德州建造能量高達20 TeV的「超導超級對撞機」，令科學家寄予厚望。不料工程進行到一半，國會認為花費過高而於1993年刪除預算，計畫宣告終止，徒留17個深坑與23公里長的隧道。（喜劇影集《少年謝爾頓》中，謝爾頓喜歡的史特吉斯教授就是跑去參加此項計畫，結果計畫終止，才只好回到校園。）
1988年諾貝爾物理學獎得主萊德曼（Leon Lederman）為了呼籲支持此項計畫，特地寫了一本科普書，書名叫《天殺的粒子：如果宇宙是答案，那麼問題是什麼？》（The Goddamn Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?）。但1993年出版時，出版商認為”Goddamn”不妥，便改為”God”，從此希格斯粒子便有了「上帝粒子」的暱稱。
所幸美國放棄的超級對撞機計畫，由歐洲核子研究組織建造的大強子對撞機（簡稱LHC）接起尋找聖杯的使命。2010年LHC成功完成3.5 TeV的對撞，燃起發現希格斯粒子的期望。果不其然，在2012年7月4日的記者會中，CERN宣布發現了希格斯粒子留下的蹤跡！
雖然並不是看到希格斯粒子本身或是它的行跡，但LHC中的有兩種不同偵測方式，都不約而同地偵測到希格斯粒子特有衰變途徑：一種是衰變成兩個光子，另一種是衰變成四個帶電荷輕子，而且質量在125～126 GeV之間也相當吻合。CERN主任總結時用語謹慎：「我們已經觀察到一個新粒子，它符合我們要找的希格斯玻色子。」但大家都相信就是它了！畢竟搞錯的機率只有三百萬分之一。
第二天，這項重大發現佔據了全世界報紙的頭版版面，絕大部分的媒體都以上帝粒子作為標題，宛如揭開了上帝創世的秘密。2013年3月14日，CERN在進一步確認自旋、宇稱等量子性質後，正式宣告它就是希格斯玻色子。當年十月，諾貝爾獎委員會即宣布希格斯與另一位理論建立者恩格勒（François Englert）共同獲得諾貝爾物理學獎。不過本身是無神論者的希格斯並不喜歡「上帝粒子」這名稱，認為這會誤導人們以為證明了上帝的存在。
雖然希格斯粒子的發現算是為標準模型正式補上最後一塊拼圖，卻不是畫上句點，還有許多問題有待解答，例如希格斯粒子在宇宙暴脹中扮演什麼角色？我們現在這個宇宙不存在反物質，和希格斯粒子有關嗎？它與暗物質是否有交互作用？此外，標準模型也還無法解釋重力，宇宙仍有太多的奧秘等待我們去探索。
參考資料：
- 《上帝的粒子：希格斯粒子的發明與發現》，Jim Baggott著，柯明憲 譯，貓頭鷹出版
- Peter Higgs – Wikipedia
- Superconducting Super Collider – Wikipedia
- The God Particle (book) – Wikipedia
