2012年6月14日深夜，参与大型强子对撞机项目的研究生和博士后研究人员开始仔细研究刚刚开放的数据缓存。自位于日内瓦附近欧洲核子研究中心（CERN）的这台巨型机器从漫长的冬季休眠中醒来后的几个月里，它一直在产生大量数据。但是，在大型强子对撞机（LHC）的两个最大型实验中工作的6000多名物理学家警惕无意中给他们的分析添加偏差。他们一致同意在6月中旬之前完全不了解结果——执行所谓的“盲”分析，届时一切都将在夜间活动的狂潮中突然揭晓。
许多年轻科学家整夜工作，以理清新释放的证据线索。尽管大型强子对撞机是一个为多个实验提供支持的巨型对撞机，但只有两个最大的实验——ATLAS 和 CMS——被赋予了寻找希格斯玻色子的任务，这个长期寻求的粒子将完善粒子物理学的标准模型，即亚原子世界的理论描述。每个大型探测器都会记录质子碰撞在其中心不断喷射出的亚原子碎片；对这些残余物的详细、独立核算可以揭示转瞬即逝的新现象，包括可能难以捉摸的希格斯玻色子。然而，探测器必须在粒子轨迹和能量沉积中筛选，同时忍受低能量背景粒子的稳定围攻，这些粒子有可能淹没潜在有趣的信号。这就像用牙齿从消防水带中饮水，同时试图找出几粒微小的金子。
幸运的是，科学家们知道他们在寻找什么。在大型强子对撞机灾难性的启动之后——2008年大型强子对撞机上线仅九天，两个磁体之间的电气接头升温并熔化，引发了强烈的火花，刺穿了周围的容器，释放了数吨氦气，并将数十个昂贵的超导磁体从支架上撕裂——对撞机在2011年期间一直在收集大量数据，足以捕捉到希格斯信号的早期迹象。
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在2011年10月计划中的冬季停机结束后，ATLAS 的发言人法比奥拉·贾诺蒂和我们中的一位（托内利），当时是 CMS 的发言人，在欧洲核子研究中心主礼堂向爆满的观众发表了一次特别研讨会。两个探测器都独立地在数据中发现了暗示性的峰值。
更重要的是，这些关于希格斯玻色子的暗示性线索相互印证。ATLAS 和 CMS 都报告了在预期背景之上发现了数十个事件，其中两个光子以 1250 亿电子伏特或 125 GeV 的总能量爆发出来。（GeV 是粒子物理学中质量和能量的标准单位，大约等于质子质量。）如果质子碰撞产生了寿命短暂的希格斯玻色子，它们可能已经衰变为这些光子。每个实验还发现了一些过剩事件，其中四个带电轻子（电子或μ子）携带了类似的总能量。这些也可能是希格斯玻色子的结果[见下页方框]。如此一致的信号是前所未有的。这表明真实的东西开始在数据中显现出来。
然而，鉴于粒子物理学的严格规范，2011 年观察到的所有信号都不足以声称“发现”。像这样的数据峰值和隆起经常被证明是短暂的，仅仅是随机波动。成功的 2012 年春季运行在 11 周内产生的质子碰撞次数超过了 2011 年全年的总和，这本可以轻易地冲刷掉新生的数据峰值，将它们淹没在背景噪声中。
当然，相反的情况也可能发生。如果这些隆起是实际的希格斯玻色子的结果，而不仅仅是残酷的统计伪像，那么所有新数据都给了研究人员很好的机会能够声称一项官方发现——结束这场长达数十年的 खोज，并开启我们对物质和宇宙理解的全新时代。
长达三十年的 खोज
希格斯玻色子绝不仅仅是另一种粒子，它是被称为标准模型的宏伟知识体系的基石，标准模型是构成现代粒子物理学的相互关联的理论集合。这个粒子的存在是 1964 年由爱丁堡大学的彼得·W·希格斯提出的，它是一种微妙机制的结果——由布鲁塞尔的弗朗索瓦·恩格勒和罗伯特·布鲁特以及伦敦的三位理论家独立构思的——赋予基本粒子质量。希格斯玻色子是一种虚无缥缈的流体（称为希格斯场）的物理表现，它渗透到宇宙的每个角落，并赋予基本粒子独特的质量。随着 20 世纪 70 年代夸克和胶子的发现以及 20 世纪 80 年代早期携带弱力的巨型 W 和 Z 玻色子的发现，标准模型的大部分元素都已完全到位。
尽管理论家断言希格斯玻色子——或类似的东西——必然存在，但他们无法预测它的质量可能是多少。由于这个原因和其他原因，研究人员几乎没有关于在哪里寻找它的线索。早期候选者，质量小于质子质量的九倍，于 1984 年在德国汉堡一个经过翻新的低能量电子-正电子对撞机中出现。然而，在进一步研究后，证据逐渐消失。
大多数理论家都同意希格斯质量应该高出 10 到 100 倍。如果是这样，发现它将需要比费米国家实验室的万亿电子伏特加速器更大的、能量更高的粒子对撞机，这是一个 1983 年完成的 6 公里质子-反质子对撞机。同年，欧洲核子研究中心开始建造耗资数十亿美元的大型电子正电子对撞机（LEP），在靠近日内瓦的法瑞边境四次穿越的 27 公里圆形隧道中钻孔。尽管 LEP 有其他重要的物理目标，但希格斯玻色子是其目标清单上的首要任务。
在美国，粒子物理学家受到里根政府“敢于大想”的鼓励，在 20 世纪 80 年代后期推动了更大、耗资数十亿美元的机器——超导超级对撞机（SSC）的宏伟计划。超导超级对撞机（SSC）的质子-质子碰撞能量为 40 万亿电子伏特（40 TeV 或 40,000 GeV），旨在追踪希格斯玻色子，即使它的质量接近 1,000 GeV。
但在超导超级对撞机（SSC）的预计价格几乎翻了一番，达到 100 亿美元后，国会在 1993 年投票否决了它。美国希格斯 खोज者感到沮丧，此后又回到费米实验室和欧洲核子研究中心继续这项研究。LEP 和万亿电子伏特加速器（Tevatron）的发现和精确测量很快暗示希格斯玻色子不应超过 200 GeV，这使其有可能在这些对撞机的范围内。然而，在十多年的 खोज中，物理学家没有找到任何持久的希格斯类数据峰值的证据。
在 2000 年夏季的最后 LEP 运行期间，物理学家决定将碰撞能量推高到机器设计处理能力之外。就在那时，希格斯玻色子的暗示开始出现。9 月，四个 LEP 实验中的两个报告了证据，表明存在 Z 玻色子加上另一个神秘粒子，该粒子衰变为两个底夸克——一种看起来很像 115-GeV 希格斯玻色子的粒子。欧洲核子研究中心当时的负责人卢西亚诺·迈亚尼批准了该机器在当年秋季延长六周的运行时间，但在那段时间里，研究人员只能挖掘出一个以上的候选事件。这还不够充分。经过激烈的辩论，迈亚尼决定关闭 LEP，并开始按计划将其改造为大型强子对撞机（LHC），这是一种旨在寻找希格斯玻色子的机器。
逼近发现
大型强子对撞机（LHC）是有史以来组装的最壮观的先进技术集合。它由数百名加速器物理学家和工程师在项目经理林登·埃文斯的领导下，在原来的 LEP 隧道内建造，几乎没有使用该对撞机的任何东西。它的主要组件包括 1200 多个超导偶极磁体——闪亮的 15 米长圆柱体，每个价值近 100 万美元。它们可能是批量生产的最精密组件，由法国、德国和意大利的公司生产，它们容纳了双束管，双束管的两侧是浸泡在 1.9 开尔文或 -271 摄氏度的液氦中的铌钛磁体线圈。在内部，双质子束以高达 7 TeV 的能量和接近光速的速度在两个方向上循环。
这些光束类似于脉冲激光而不是手电筒。每个光束由近 1400 个“束团”组成，每个束团包含多达 1500 亿个质子——大约相当于银河系中恒星的数量。在正常运行情况下，每次束团交叉期间会发生 10 到 30 次质子碰撞。然而，这相当于每秒约 5 亿次碰撞。
质子碰撞比电子-正电子碰撞混乱得多。加州理工学院的理论家理查德·费曼曾将这个过程比作将垃圾桶撞入垃圾桶，这意味着会产生大量垃圾。质子是由夸克和胶子组成的复合物体；在最有趣的事件中，两个胶子以高于 100 GeV 且偶尔高达 1 TeV 的能量发生碰撞。物理学家在精密的探测器、定制的电子设备和最先进的计算机的帮助下，试图从数十亿个枯燥、无趣的事件中筛选出少数与有趣物理学相对应的事件。
ATLAS 和 CMS 实验无法直接观察到希格斯玻色子——它会非常迅速地衰变为其他粒子。他们寻找它是在内部产生的证据。根据希格斯玻色子的质量，它可能会以多种方式衰变为更轻的粒子[见上方方框]。2011 年，人们的注意力开始集中在其罕见的衰变为两个光子和四个带电轻子上，因为这些信号将在巨大的背景下显得格外突出，这些背景很容易淹没希格斯信号。
2008 年磁体灾难造成的延误给了费米实验室的物理学家最后一次发现希格斯玻色子的机会。就在计划于 2011 年 9 月关闭万亿电子伏特加速器（Tevatron）之前，该对撞机的 CDF 和 D-Zero 实验报告说，在 125 至 155 GeV 的总能量下，底夸克对出现的事件略有超出。但与 LEP 关闭时一样，研究人员无法说服实验室主任批准他们暂缓关闭，万亿电子伏特加速器（Tevatron）很快就被关闭了[参见蒂姆·福尔格的“等待希格斯玻色子”；《大众科学》，2011 年 10 月]。（今年 3 月，这些物理学家报告了一项更详细的分析，显示在 125 GeV 处有一个凸起，加强了欧洲核子研究中心的结果。）
跨越界限
到 2012 年 5 月，由于加速器主任斯蒂芬·迈尔斯领导的物理学家和操作人员的努力，大型强子对撞机（LHC）产生数据的速度比万亿电子伏特加速器（Tevatron）曾经达到的速度快 15 倍。这次运行是数千名 ATLAS 和 CMS 物理学家二十年工作的结晶，他们建造并运行探测器，设计并管理一个在世界各地分发数据的计算机系统，创建了新颖的硬件和计算机软件来识别最有趣的碰撞，并编写了算法，从正在记录的大量数据中挖掘出最相关的事件。他们都狂热地工作，期待着一项发现。因此，当研究人员在 6 月中旬打开他们的数据集时，他们有大量事件需要筛选。在研究生和博士后通宵工作后，他们焦急地准备揭示已经发现的东西。
6 月 15 日，在一个炎热的下午，CMS 物理学家开始聚集在欧洲核子研究中心过滤厂的 222 房间，听取年轻物理学家的报告。很快，房间里挤满了数百名合作成员——总共约 3,000 人——其中许多人站着或坐在地板上。前一天晚上，几乎没有人睡多少觉。紧张和兴奋笼罩着房间。
第一位发言人讨论了一种可能的希格斯衰变途径，或“通道”，即衰变为 W 玻色子对。在最受关注的低质量区域出现了一个小的过剩事件，但微弱的信号并没有引起太大的兴奋。然后，关于罕见的四轻子和双光子衰变的演示接踵而至。现在看来，希格斯玻色子终于要出现了。来自 2012 年数据的信号再次出现在相同的附近区域——接近 125 GeV——这在六个月前曾如此诱惑研究人员。科学家们几乎立即意识到，如果他们将新数据与 2011 年的结果结合起来，CMS 很有可能声称发现了希格斯玻色子。在两个关键演示结束时，人群欢呼起来。
类似类型的启示也发生在 ATLAS 实验中。当几个小组查看新数据时，自发的庆祝活动爆发了。然而，物理学家们花了超过一周的漫长工作日和不眠之夜才确信他们可以得出结论，即这些事件是随机波动的结果的可能性小于三百万分之一——这符合粒子物理学家坚持声称发现的严格“五西格玛”标准。响亮的掌声和喜悦的呼喊声迎接了这一认识时刻。
到那时，发现的消息已经泄露出去。全球范围内的兴趣开始变得如此浓厚，以至于保密被放在首位。在正式消息公布之前，不得再泄露任何消息，尤其是因为正在准备的文件的确切内容可能会发生变化。ATLAS 成员不应该与 CMS 物理学家谈论最近的结果，反之亦然。然而，个别物理学家无法抗拒讨论许多人期待已久的消息。欧洲核子研究中心自助餐厅和走廊里压低声音的谈话表明，大事即将发生。公开的压力越来越大。
欧洲核子研究中心主任罗尔夫-迪特·豪尔在 6 月 22 日与贾诺蒂和加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的约瑟夫·因坎德拉（托内利的 CMS 发言人继任者）的会议上初步了解了调查结果。豪尔认为证据足够有力，可以公开。他立即通知欧洲核子研究中心理事会（其理事机构），让他们了解快速发展的态势。然后，豪尔决定于 7 月 4 日在欧洲核子研究中心举行一次联合研讨会，时间与在澳大利亚墨尔本举行的第 36 届国际高能物理会议开幕式同时，随后举行欧洲核子研究中心新闻发布会。
在研讨会前一天晚上，数百名物理学家在锁着的主礼堂外的走廊里不安地打盹，拼命希望获得里面剩余的非预订座位之一。迈尔斯、埃文斯和自大型强子对撞机（LHC）构想以来就深度参与其中的四位前欧洲核子研究中心主任坐在前排。彼得·希格斯刚刚飞抵日内瓦，走进会场，受到热烈的、持久的掌声，并坐在恩格勒旁边。
因坎德拉，然后是贾诺蒂，展示了大量关于新数据和结果的幻灯片，主要涵盖 2012 年的测量结果。与 12 月一样，双光子数据的图表显示，在 125 至 126 GeV 处突出了明显的峰值。这一次，实验中还有十几个额外的事件，其中一个重粒子在 125 GeV 处爆炸成四个带电轻子。在该通道中，微妙的峰值也开始形成。
这最终确定了结果。CMS 和 ATLAS 将此结果与双光子结果相结合，独立地得出结论，认为该幻影是由于随机波动造成的可能性小于三百万分之一。这一定是真的。当镜头转向希格斯时，可以看到他掏出手帕擦拭眼泪。
“我认为我们找到了，”豪尔总结研讨会时兴高采烈地说，掌声经久不息。“我们有一项发现，”他继续说道，最后谨慎地使用了这个词。“我们观察到一个与希格斯玻色子一致的新粒子。”
物理学的新时代？
现在很少有物理学家怀疑已经出现了一个重型新粒子。但这究竟可能是什么样的粒子呢？欧洲核子研究中心的物理学家在这个问题上谨慎地发言，称其为“类希格斯玻色子”，并坚持认为需要更多数据来确定其性质。欧洲核子研究中心尚未最终证明新粒子具有标准模型要求的零“自旋”特性——尽管与 7 月 2 日发布的最新万亿电子伏特加速器（Tevatron）数据（显然是为了分享聚光灯）的比较表明这是真的。ATLAS 和 CMS 实验也收集了比预期更多的双光子事件。是否有什么地方不对劲？或者这种过剩是否暗示着有趣的新物理学？
目前，实验和理论方面的注意力都集中在解决新粒子是否确实是标准模型预测的“那个”希格斯玻色子。这个问题可以通过获取更多数据并准确测量这种新粒子如何衰变为其他粒子来解决。7 月下旬提交的官方出版物包括进一步的衰变通道，这些通道与标准模型并不矛盾。CMS 仍然报告了一项五西格玛发现，而 ATLAS 的结果变得更加有力。欧洲核子研究中心的理论家约翰·埃利斯和特冯·游对大型强子对撞机（LHC）和万亿电子伏特加速器（Tevatron）数据的早期分析表明，正如他们所说，新粒子“确实非常像希格斯玻色子那样行走和嘎嘎叫”。
新粒子与一对高能光子的联系激发了人们的兴趣。由于希格斯场赋予基本粒子质量，因此它应该与较重的粒子相互作用更强。光子没有质量，因此希格斯玻色子通过涉及其他重粒子的机制产生光子。额外的重粒子（超对称和其他理论要求）可能会增强这个过程——根据早期数据，情况似乎正在发生。如果这种趋势持续下去，它将强烈暗示超出标准模型描述的物理学[参见克里斯·奎格的“粒子物理学即将到来的革命”；《大众科学》，2008 年 2 月]。
这个粒子的划时代发现标志着粒子物理学漫长时代的结束，以及研究 TeV 能量尺度现象的激动人心的新阶段的开始。在经历了数十年的低迷之后，理论与实验之间令人兴奋的交流再次激发了这门学科的活力。关于这种迷人的粒子或其潜在伙伴的进一步研究可能会找到答案的疑问比比皆是。它是否在被认为是驱动宇宙大爆炸起源的力量的暴胀机制中发挥作用？它是否与被认为居住在宇宙中的暗物质粒子相互作用？如果存在，什么更高能量的机制或过程可以保护脆弱的真空免受可能威胁我们生存的不稳定性的影响？
尽管我们庆祝标准模型的胜利，但如此轻型的希格斯玻色子应该对超出它的物理学极其敏感。该粒子为进一步实验打开了一个绝妙的新实验室。它的特性是否完全如预测的那样？早期数据中明显的差异可能是随机波动，在未来几个月内会消失。或者，它们可能正在提供关于有趣的新物理学的微妙暗示。