2012年6月14日深夜，在大型强子对撞机上工作的一群研究生和博士后研究人员开始仔细查看刚刚开放的数据缓存。自欧洲核子研究中心（CERN）的这座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LHC的两个最大型实验中工作的6000多名物理学家对无意中给分析增加偏差感到担忧。他们同意在6月中旬之前完全不了解结果——进行所谓的“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LHC是一个为多个实验提供数据的巨型对撞机，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，这是长期以来寻求的粒子，它将完善粒子物理学的标准模型，即亚原子世界的理论描述。每个大型探测器都记录了质子碰撞在其中心无情地喷射出的亚原子碎片；对这些残余物的详细、独立的核算可以揭示转瞬即逝的新现象，包括可能 elusive 的希格斯玻色子。然而，探测器必须筛选粒子轨迹和能量沉积，同时承受低能量背景粒子的持续围攻，这些粒子威胁着潜在的有趣信号。这就像用牙齿试图从消防水带中挑选出几粒微小的金子一样。
幸运的是，科学家们知道他们在寻找什么。在LHC灾难性的启动之后——2008年LHC上线仅九天后，两个磁体之间的电气连接接头变热并熔化，引发了强大的火花，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其支架上撕裂——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暗示。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们今天世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
在2011年10月结束运行以进行计划中的冬季停机后，时任ATLAS发言人法比奥拉·贾诺蒂和我们中的一位（托内利），时任CMS发言人，在CERN主礼堂向爆满的观众进行了特别研讨会。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，有几十个事件中，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短寿命的希格斯玻色子，它们可能会衰变成这些光子。每个实验还发现了一些盈余事件，其中四个带电轻子（电子或μ子）带走了相似的总能量。这些也可能是希格斯玻色子的结果[见第8页的方框]。这种信号的并发是前所未有的。这表明真实的东西开始出现在数据中。
然而，鉴于粒子物理学的严格规范，2011年观察到的信号都不足以允许声称“发现”。像这样的数据峰值和峰值通常被证明是短暂的，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比2011年全年都多，这很容易冲刷掉 nascent 的数据峰值，将其淹没在背景噪声中。
当然，也可能发生相反的情况。如果这些峰值是实际希格斯玻色子的结果，而不仅仅是一个残酷的统计伪像，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寻，并开启我们对物质和宇宙理解的全新时代。
三十年的 खोज寻
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智力建筑的基石，标准模型是构成现代粒子物理学的相互关联的理论集合。这种粒子的存在是爱丁堡大学的彼得·W·希格斯在1964年提出的，它是一种微妙机制的结果——由布鲁塞尔的弗朗索瓦·恩格勒特和罗伯特·布劳特以及伦敦的三位理论家独立构思——赋予基本粒子质量。希格斯玻色子是一种飘渺流体（称为希格斯场）的物理表现形式，它渗透到宇宙的每个角落，并赋予基本粒子其独特的质量。随着20世纪70年代夸克和胶子的发现以及20世纪80年代早期带有质量的弱力载体W和Z玻色子的发现，标准模型的大部分要素都已就位。
尽管理论家断言希格斯玻色子——或类似的东西——必然存在，但他们无法预测其质量可能是多少。由于这个和其他原因，研究人员很少有关于在哪里寻找它的线索。早期候选者，重量小于质子质量的九倍，于1984年在德国汉堡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。
大多数理论家认为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Tevatron更大的、能量更高的粒子对撞机，Tevatron是一个于1983年完成的六公里质子-反质子对撞机。同年，CERN开始建造价值数十亿美元的大型电子正电子（LEP）对撞机，开凿了一条27公里长的圆形隧道，在日内瓦附近四次穿越法瑞边境。尽管LEP还有其他重要的物理学目标，但希格斯玻色子是其目标列表中的首要任务。
在美国里根政府鼓励“放眼大局”的背景下，美国粒子物理学家在20世纪80年代后期推动了建造一台更大、耗资数十亿美元的机器——超导超级对撞机（SSC）的宏伟计划。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。
但是，在SSC的预计价格几乎翻了一番，达到100亿美元之后，国会在1993年投票否决了它。沮丧的美国希格斯玻色子 खोज寻者此后转向费米实验室和CERN继续进行这项研究。在LEP和Tevatron进行的发现和精确测量很快暗示，希格斯玻色子的质量不应超过200 GeV，这使其可能在这些对撞机的探测范围内。然而，在十多年的 खोज寻中，物理学家没有找到希格斯类数据峰值的持久证据。
在2000年夏季的最后几次LEP运行中，物理学家决定将碰撞能量推高到机器设计处理能力之外。那时，希格斯玻色子的暗示开始出现。9月，LEP的四个实验中有两个报告了证据，表明存在Z玻色子加上另一种神秘粒子，该粒子衰变成两个底夸克——一种看起来很像115-GeV希格斯玻色子的粒子。CERN当时的负责人卢西亚诺·迈阿尼批准该机器在秋季延长六周的运行时间，但在那段时间里，研究人员只能发掘出另一个候选事件。这还不够。经过激烈的辩论，迈阿尼决定关闭LEP，并开始将其按计划转换为LHC，这是一种旨在寻找希格斯玻色子的机器。
逼近发现
LHC是有史以来组装的最壮观的先进技术集合。由项目经理林登·埃文斯领导的数百名加速器物理学家和工程师在原LEP隧道内建造，它几乎没有使用该对撞机的任何东西。其主要组件包括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复杂的组件，由法国、德国和意大利的公司生产，它们容纳了双束管，双束管两侧是浸泡在1.9开尔文或−271摄氏度的液氦中的铌钛磁线圈。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——大约是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到垃圾桶中，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——有时高达1 TeV——的能量碰撞。物理学家借助精密的探测器、定制的电子设备和最先进的计算机，试图从数十亿个枯燥乏味的事件中筛选出与有趣物理学相关的少量事件。
ATLAS和CMS实验无法直接观察到希格斯玻色子——它会太快地衰变成其他粒子。他们寻找的是它在内部产生的证据。根据希格斯玻色子的质量，它可以以多种方式衰变成更轻的粒子。在2011年，注意力开始集中在其罕见的衰变成两个光子和四个带电轻子的衰变上[见下面的方框]，因为这些信号将在巨大的背景中显得格外突出，而背景很容易淹没希格斯信号。
2008年磁体灾难造成的延迟给了费米实验室物理学家最后一次进行希格斯发现的机会。就在计划于2011年9月关闭Tevatron之前，对撞机上的CDF和D-Zero实验报告说，在底夸克对出现在125至155 GeV总能量范围内时，事件略有 excess。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延期，Tevatron很快就被关闭了。（在2012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CERN的结果。）
跨越界限
到2012年5月，在加速器主任斯蒂芬·迈尔斯领导的物理学家和操作员的努力下，LHC产生数据的速度比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顶峰，他们建造并运行探测器，设计并管理一个在世界范围内分发数据的计算机系统，创建新颖的硬件和计算机软件来识别最有趣的碰撞，并编写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出现的结果。
2012年6月15日是一个炎热的下午，CMS物理学家开始聚集在CERN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3000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过多少觉。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”，衰变成W玻色子对。在最受关注的低质量区域出现了一个小的 excess 事件，但微弱的信号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报告接踵而至。现在，看起来希格斯玻色子终于出现了。来自2012年数据的信号再次出现在相同的区域——接近125 GeV——这在六个月前就让研究人员感到 tantalized。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，人群欢呼雀跃。
类似的启示也发生在ATLAS实验中。当他们第一次瞥见新数据时，几个小组自发地庆祝起来。然而，ATLAS物理学家花了超过一周的长时间工作和不眠之夜，才确信他们有足够的良好事件来得出结论，他们的结果是由随机波动造成的可能性小于三百万分之一——这相当于粒子物理学家在声称发现之前要求的严格“五西格玛”标准。在令人兴奋的认识时刻，一个由大约十几名物理学家组成的ATLAS小组于2012年6月25日下午在32号楼开会，爆发出响亮的掌声和欢呼声，在走廊里回荡。
到那时，发现的消息已经泄露出去。全世界的兴趣开始变得如此浓厚，以至于保密被放在首位。在官方消息公布之前，不应再有任何泄露，特别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。CERN自助餐厅和走廊里的窃窃私语表明，大事即将发生。公开的压力越来越大。
CERN主任罗尔夫-迪特·霍伊尔在2012年6月22日与贾诺蒂和托内利的继任者，加州大学圣巴巴拉分校的约瑟夫·因坎德拉举行的会议上，提前看到了研究结果。霍伊尔认为证据足够有力，可以公之于众。他立即通知CERN理事会（其理事机构），让他们了解快速发展的进展。然后，霍伊尔决定在2012年7月4日在CERN举行联合研讨会，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进行，随后举行CERN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中央礼堂外的走廊里不安地打盹，拼命希望得到里面剩下的未预订座位之一。迈尔斯、埃文斯和自LHC构思以来一直深度参与其中的四位前CERN主任坐在前排。彼得·希格斯刚飞到日内瓦，走进会场，掌声雷动，他坐在恩格勒特旁边。
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出在125至126 GeV处突出的峰值。而这一次，实验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。将这一结果与双光子结果相结合，CMS和ATLAS独立得出结论，这种显现是侥幸，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眼睛。
“我想我们找到了，”霍伊尔兴奋地说道，在经久不息的掌声中结束了研讨会。“我们有了一个发现，”他继续说道，谨慎地最终使用了这个词。“我们观察到了一种与希格斯玻色子一致的新粒子。”
物理学的新时代？
很少有物理学家怀疑在CERN发现了一种重型新粒子，但关于其确切性质仍然存在争议。CERN官员最初在这个问题上谨慎发言，称其为“类希格斯”玻色子，但在3月份宣布它确实是希格斯玻色子——尽管不一定是唯一的玻色子。尽管物理学家尚未无可置疑地证明新粒子具有所需的零“自旋”特性，但初步数据强烈支持该值。ATLAS实验继续观察到比预期更多的双光子事件，而CMS报告的结果与基于相似数据量的标准模型预期一致。这里是否有什么不对劲？
自2012年7月以来，注意力已集中在新粒子是否真的是标准模型预测的“the”希格斯玻色子上。这个问题可以通过确定新玻色子如何衰变成其他粒子来解决。自2012年7月以来，ATLAS和CMS发布的结果表明，希格斯信号已大大改善，而难以测量的衰变成底夸克和τ轻子的衰变也开始以大约预期的频率出现。与此同时，费米实验室物理学家公布了来自Tevatron的证据，证明新粒子衰变成底夸克。CERN理论家约翰·埃利斯和特翁·尤对LHC和Tevatron组合数据的分析表明，正如他们所说，新粒子“确实非常像希格斯玻色子那样走路和嘎嘎叫”。
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，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大质量粒子的机制产生它们。额外的重粒子（超对称和其他理论需要）可能会增强这个过程——根据早期数据，这可能正在发生。如果这种趋势持续下去，将强烈暗示存在超出标准模型描述的物理学。
希格斯玻色子的发现标志着粒子物理学漫长时代的结束和一个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该学科的活力。大量问题可能会从对这种迷人粒子或其潜在伙伴的进一步研究中找到答案。它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吗？它是否与被认为存在于宇宙中的暗物质粒子相互作用？如果存在的话，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已知宇宙存在的 instability？
尽管我们庆祝标准模型的胜利，但如此轻量级的希格斯玻色子应该对超出它的物理学非常敏感。该粒子为进一步实验开辟了一个绝佳的新实验室。它的性质是否与预测的完全一致？早期数据中 apparent 的差异可能是随机波动，会在未来几个月内消失。或者，它们可能正在提供 intriguing 新物理学的微妙暗示。