希格斯：“上帝粒子”的发明与发现

2012年7月，欧洲核子研究中心（CERN）宣布了粒子物理标准模型的最后一片拼图的重要证据——一个从酷似 Higgs boson 的新粒子被发现了。几乎在第一时间，牛津大学出版社就推出了科普作家 Jim Baggott 的这本《希格斯：“上帝粒子”的发明与发现》（Higgs: The Invention and Discovery of the ‘God Particle’）。

当时从 Imperial College 高能理论物理专业研究生毕业没多久的我也是在网上观看了 CERN 的新闻发布会，写下了一篇科普标准模型和 Higgs 玻色子的博客文章。时隔多年，跟随着专业科普作者的视角重温这段发现之旅，依然是令人激动。

如书名的副标题所示，全书分为发明与发现两大部分。在第一部分，作者追溯了建立在 Yang-Mills 规范场论基础上的标准模型是如何建立起来的。作者以揭示对称性与守恒律之间深刻关系的 Noether 定理为起点，快速推进到了朝永振一郎、Julian Schwinger，Richard Feynman，Freeman Dyson 等人成功建立起量子电动力学的成就，理论上给出的电子 g 因子与实验测定值符合到了令人乍舌的精确度。

然而，在将量子场论的利器推广至弱相互作用与强相互作用时，摆在面前的挑战远比想象中棘手：电弱理论的对称结构究竟是哪个群（SU(2) × U(1) 模型），如何解释传递弱相互作用的规范玻色子的巨大质量（引入 Brout-Englert-Higgs 机制），描述强相互作用的规范群又是什么（从夸克味的 SU(3) 到色荷的 SU(3)），规范场理论在数学上是否可重整化，等等一些列的困难，经由 Sheldon Glashow，Steve Weinberg，Abdus Salam，Gerardus ‘t Hooft，Murray Gell-Mann，Stephen Adler，James Bjorken，David Gross，Frank Wilczek，David Politzer 等近代物理学上响当当的一批巨匠的突破性工作，逐步在迷雾中理清了线索，成就了建立电弱统一理论和量子色动力学的壮举。

在第二部分，作者将目光转向实验物理的舞台，讲述实验物理学家们逐步发现那些自然界的基本粒子的动人心弦的故事。1970年前后，美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）利用高能电子束轰击质子进行的深度非弹性散射实验，为夸克的存在提供了重要证据。丁肇中团队在 Brookhaven 国家实验室和 Burton Richter 团队在 SLAC 几乎同时发现了粲夸克（charm quark）核其反粒子构成的束缚态 J/ψ 粒子，进一步强有力地支持了夸克模型。到了1980年前后，欧洲核子研究中心（CERN）的 UA1 和 UA2 实验组利用升级改造的超级质子同步加速器（SPS） 进行质子-反质子对撞，成功发现了电弱统一理论预言的 W 玻色子和 Z 玻色子。自1990年前后起，CERN 的大型正负电子对撞机（LEP）投入运行，对 Z 玻色子的衰变的精确测量进一步对电弱统一理论提供了实验证据。而与欧洲存在竞争关系的美国方面于 Fermi 国家实验室也相继发现了底夸克和顶夸克，补全了第三代夸克的全部拼图。

书中花费了不少笔墨讲述了美国人在80年代曾经野心勃勃启动的超导超级对撞机（SSC）项目的筹备、推进和最终夭折。而欧洲方面经过多年论证和筹备，CERN 决定利用先前立下赫赫战功的 LEP 留下的隧道新建一台大型强子对撞机（LHC），这也便是整本书故事的最高潮部分。2008年 LHC 首次成功注入质子束标志着人类历史上规模最大的科学装置正式启动，而截止2012年底，LHC 不断创下新纪录地积累了海量的碰撞数据，两大实验组 ATLAS 和 CMS 于2012年7月那场载入史册的发布会上公布了发现一种质量约为 125 GeV 的新玻色子，与所期待的 Higgs 玻色子高度一致。尽管诸如自旋、宇称、与其他粒子的耦合模式仍有待进一步验证，但高达 5$\sigma$ 的统计置信度足以使得物理学界相信，LHC 的发现给这场跨越了半个多世纪的粒子物理史诗画上了一个圆满又尚有悬念的句号。

这部作品由诺贝尔物理学奖得主 Steve Weinberg 亲自作序，中文版的翻译也是粒子物理学科研一线的大拿、中国科学院高能物理研究所的邢志忠老师，专业性有坚实的保障。然而本书也并非没有争议，主要批评在于这本书的成书非常仓促，内容上和作者前作《量子通史》（The Quantum Story）高度相近，有豆瓣网友犀利点评，这就是把前一本的全景改成了局部特写。但就我个人而言，作为一个曾经学习理论物理的读者，我十分欣赏这本书在科普粒子物理的这些理论成果时毫不含糊的态度（因此对于缺乏相应背景知识的读者，这本书不会好读）。临近结尾处对2012年发现的实时记录更是整本书的亮点，字里行间流露出重大发现即将浮出水面的那种期待与紧张，读来令人动容。