上帝粒子为什么是万物起源，它究竟有多厉害？是它主宰了宇宙……|上帝粒子|中微子|夸克|宇宙|希格斯

上帝粒子是21世纪物理学最重大的发现，也是标准模型图最后的一块拼图。

上帝粒子是万物的起源。如果没有上帝粒子，那宇宙的样貌也就不可能是如今的样子，更不可能存在生命，有了上帝粒子，标准模型才得以完善，接下来物理学进化的方向则是万有理论。

那什么是上帝粒子，为什么它对构建如今的宇宙如此重要。

2012年，对物理学来说至关重要，就在这一年，标准模型的最后一块模板，上帝粒子，即希格斯粒子，在统计学意义上被发现，这也验证了物理学家在1964年预言的希格斯机制。至此人类终于解开了困扰物理学半个多世纪的粒子质量来源之谜。

事实上，到目前为止，我们从来没有直接探测到希格斯粒子的存在，那为什么物理学家又言之凿凿的确定其存在呢？

所以本期视频将从希格斯机制，希格斯场，希格斯粒子的构想，建立，原理，以及验证的过程来一场探索上帝粒子的旅程。

如今标准模型中的基本粒子，描述了除引力外，宇宙中所有明物质的构成以及相互作用力。电磁力由光子描述，强力由胶子描述，弱力由w和z玻色子描述。而原子的构成则由夸克和电子描述。

但在希格斯粒子发现之前，标准模型还存在一个重大的问题，那就是是无法描述大部分基本粒子的质量来源。比如w和z玻色子在理论预言中应该是静质量为0的粒子，但实际上它却带有固有质量。这种质量来源就成了一种谜团。

或许你听到这里有点疑惑，在我们的潜意识中，粒子不应该本来就存在质量吗？为什么粒子的质量来源反而是一种谜团。

其实我们不妨思考一下什么是粒子？

在很多人的印象中，粒子可能类似于一种实心的小球，其实这种观念源于2000多年前，德谟克利特的古典原子论。这种古朴的观念直到牛顿时代依旧存在。直到量子力学的发现，才彻底摧毁了粒子即实心小球的观念。

如今我们已经知道，原子由原子核和核外电子构成。原子核中的质子和中子又由夸克构成。

所以构成原子的基本粒子就是夸克和电子。在量子力学的早期，我们以为夸克和电子就是一种具有波动性的能量包。也就是说像夸克和电子这样的基本粒子是没有固定位置和形状的波，它们具有波粒二象性和量子叠加效应。但是这种观点在目前来看依旧是过时的。

标准模型是一种基于量子场论建立起来的理论框架，所以标准模型对基本粒子的看法采用的是量子场论的观点。

在标准模型看来，所谓的基本粒子只是一种假象，你可以认为这个宇宙本来不就存在传统意义上的粒子。宇宙中只存在各式各样的量子场，量子场没有固定的边界，宇宙有多大，量子场就可以延伸到哪里。每一种量子场都有专属的激发能量值。

比如一个量子场激发所需的能量值为3，那么只有当量子场从外界吸收能量恰好为3的整数倍时，才能激发整数倍个粒子。比如能量为9时，就能激发3个粒子。能量为8.99时，就只能激发两个粒子。多余出来的2.99个能量也无法激发新的粒子。

事实上，所谓的基本粒子只是量子场的产物，电子其实就是电子的量子场激发。

电子的能量为0.511MeV，所以电子场每吸收一份0.511MeV的能量时，就会激发出一个相应的能量包，这个能量包的能量会通过质能方程E=mc²转化成相应的粒子质量，所以电子场激发的能量包拥有的质量就是0.511MeV/c²，这个数值就是电子的质量。

每一种基本粒子都有自己对应的量子场，其量子场的名称一般以粒子名代替。比如光子对应的是光子场，胶子对应的是胶子场，夸克对应的是夸克场。

每一种量子场激发粒子所需的能量值都不相同，其数值是该粒子的质量乘以光速的平方。

按照量子场论的预设，所有量子场本身都不额外携带能量，也就说，量子场本身没有足够的能量能激发出粒子。

这样一来，所有的基本粒子都无法从量子场中获取能量，也就应该没有静止质量，但是这和物理事实并不相符，目前除了胶子和光子没有静止质量，其他基本粒子都携带质量。

那这就意味着量子场得从外界吸收能量以满足激发粒子所需的能量。

其实，在上个世纪五六十年代，科学家就预想肯定存在一直通用的量子场不断向外辐射能量，以提供其他量子场的能量摄入，以供它们不断激发出有质量的粒子。这就是希格斯场的最早构想。

但是希格斯场也在量子场论的框架内，如果希格斯场要给其他量子场提供能量，那它自身的能量又该从何而来。

讲到这里，就不得不提到物理学中最神秘的对称性破缺问题。在物理学中，对称性破缺会解释很多现象。比如在宇宙早期，正反物质本来是一样多的，如今之所以正物质多于反物质，是由于某种对称性自发破缺造成的，弱力和电磁力本来也是同一种力，之所以会分化成两种力，也是由于某种自发对称性破缺。同样地，希格斯场自身能获得能量，也是由于希格斯场自发对称性的破缺导致的。

这种对称性破缺就造就了希格斯场可以源源不断释放能量，这就是希格斯机制。

理论上，希格斯粒子的质量得足够大，只有这样，希格斯粒子才能变得狂躁，越狂躁就越不稳定，就越易衰变，衰变就是释放能量的过程。

在标准模型图，左边这一项是费米子，也就是负责形成物质结构的基本粒子。费米子上面的罗马数字一二三，对应的费米子的“代”，第一代的费米子质量最小，第二代，第三代费米子质量越来越大。在物理学中，基本粒子的质量越大，越不稳定，就越容易衰变。因为宇宙规律总是遵守着能量最低原理，能量越小，质量也就越小，粒子也就越稳定。

就和熵增原理一样，能量总是从高处往低处流动。所以在费米子中，第二代和第三代粒子很快就会衰变成第一代粒子，它们存在的时间也就越短。比如在电子家族中，第三代的τ子的寿命只有2.9×10∧-13秒。μ子的寿命只有2.2×10∧-6秒。而电子是同家族最轻的粒子，它就无法再衰变了，所以寿命几乎是无限的。

现在我们知道，粒子的质量越大，越易衰变，衰变的过程就是释放能量的过程，而希格斯粒子的使命就是不断给其他量子场输能，所以它的质量就得十分大，也就得不断衰变，不断释放能量。在标准模型图中，希格斯粒子的质量仅次于顶夸克。处于基本粒子中，第二大质量的位置，质量是电子的25万倍。所以希格斯粒子就不断衰变，不断释放能量，如果释放的能量值恰好是某一量子场论激发粒子所需的数值，那么这些能量就会被这个量子场吸收，继而激发出相应的粒子，如果这一粒子不够稳定，那么它被激发出来之后就又会衰变，从而再次释放能量，然后被其他能量更小的量子场吸收。所以在费曼图上来看，希格斯粒子衰变的过程就是不断产生各种基本粒子的过程。

在这里要注意一下，中微子的质量十分轻，所以中微子十分稳定。另外，中微子总是在振荡，也就是三种中微子总是在不断相互转化。我们现在一般认为中微子质量来源于其自身的振荡，至于希格斯机制是否参与中微子质量的创造，目前还是物理学未解决的难题。

讲到这里，想必你已经大致了解希格斯机制赋予基本粒子质量的原理，那该怎么验证这一猜想。

要想验证希格斯机制的关键点就是直接找到希格斯粒子。其实到目前为止，物理学家并没有直接看到或者探测到希格斯粒子的存在。毕竟希格斯粒子太容易衰变了，即便创造出，也很难观察到。那物理学家又是如何确认希格斯粒子存在的？

其实我们要制造出希格斯粒子，可以从反向思维来理解。既然希格斯粒子能衰变成其他更轻的粒子，那么这些轻粒子也就可以反向变成希格斯粒子。毕竟费曼图是可逆的。

两个质量很轻的粒子直接对撞或许无法产生质量较大的希格斯粒子。但是我们可以不断加大粒子的动能。

如果我们想用质量是希格斯粒子25万分之一的两个电子对撞产生希格斯粒子，就得不断加大电子的动能，使其总能量达到静止时的25万倍即可，这样电子的总能量就是125GeV,这样两个电子相撞产生的能量就足够生成希格斯粒子了。

理论归理论，真正操作起来，物理学家一般不会傻到直接用电子对撞制造希格斯粒子，毕竟电子质量实在太小，需要十分巨大的动能投入。

那还不如干脆直接用质量更大的质子对撞，质子质量接近1Gev,和希格斯粒子质量相差仅有130倍左右。所以用质子对撞，所需的动能更少，也更容易操作。

现在的问题是，即便两个质子对撞产生了希格斯粒子，也很难直接观测到这一现象。这主要是两个原因造成的。

第一个原因，两个质子以相同的能量，从相反方向对撞，对撞瞬间的动能基本就为0了，这就意味着对撞瞬间产生的希格斯粒子会保持静止。而探测器检测粒子的机制要求粒子飞到探测器上才行，探测器是不能直接安装到对撞瞬间的光束内的，对撞瞬间产生的能量极大，探测器如果安装到对撞时的位置，不仅会干扰对撞结果，也会被高能量烧毁。

所以探测器一般安装到对撞光束的外部，只等光束内的粒子飞到探测器上才能检测到。

第二个原因，希格斯粒子十分重，极易衰变，它的寿命只有1.5×10∧-22秒，诞生即衰变。

这两个原因导致了人类至今也没有直接探测到希格斯粒子。

其实这样的事在粒子对撞机中经常存在，比如探测其他大质量基本粒子也存在相同的问题。

但问题是，其他大质量粒子一般也带有电荷，我们可以通过电磁作用间接探测其存在。而希格斯粒子不带电荷，所以依靠电磁探测器这条路子也是被堵死的。

当然，物理学家还可以用其他方式确认其存在，这种方式就类似于考古，虽然我没有见过你，但是可以通过其留下的痕迹确认其存在过。

首先我们可以假设两个质子对撞后产生过希格斯粒子，然后希格斯粒子会随机衰变成各种更轻的粒子。最后我们只需计算这些衰变后粒子的质量之和即可，如果发现这些粒子质量之和恰好等于希格斯粒子的质量，那我们就有理由认定质子对撞的瞬间产生过希格斯粒子。

如果质子撞击过程中没有产生希格斯粒子，那么撞击瞬间生成的粒子种类和路径就完全不同。这一点是很容易判断出来的。

事实上，撞击过程即便产生过希格斯粒子，其衰变出的粒子也是随机的，每次探测到粒子种类或许并不一样，但只要它们的质量之和是相等的，我们就能确信希格斯粒子存在过。

剩下的事就是进行大量重复的实验，一次不行就是10次，100次，一万次，100万次。

通过数据计算，就可以得到置信度。

在2012年的对撞实验中，统计的结果显示，对撞中产生希格斯粒子的统计显著性是5σ(西格玛)，5西格玛在粒子物理学中是黄金标准，5西格玛意味着测量1744278次数据，只有一次和理论不符，误差的概率是0.00000057%，所以5σ一般意味着新的发现。