[南都周刊]我们发现了“上帝粒子”-中国科大新闻网

南都周刊2013年第42期

刘洪亮（@phunter_lau）

中国科学技术大学物理学学士，加州大学河滨分校物理学博士，从事高能粒子物理研究。

我要说的是我们这群发现希格斯粒子的小伙伴们的故事。故事中有惊喜有磨难。我很庆幸在这个故事里，我能和这样一群聪明、乐观、谦逊、严谨和坚持梦想的高能粒子物理学家们一起为人类知识的进步贡献出力量。

2004-09-05

我的第一个小伙伴

今天是我在加州生活的第二天。

比起炎热，更让我不习惯的是要对导师直呼其名。

我的博士生导师，汉森（Hanson）博士，一个美国土生土长的老太太。金色短发，笑容和蔼，一口快得让国际学生一时半会反应不过来的英语，还有标志性的长裙（后来我才发现她一年四季都是长裙）。

直呼其名，这对一个害羞的中国学生来说很别扭，我这样解释。汉森对这个解释不是很满意，可是也勉强同意了我称呼她为汉森博士。她说，“迟早有一天我会叫你刘博士，让你也不好意思”。

在粒子物理课上，汉森会讲解一些高能粒子物理历史上的著名物理发现。在那篇发现J/psi粒子获得1976年诺贝尔奖的文章上，我们发现了一个熟悉的名字。我很好奇地问她说，汉森博士，当年你们组发现J/psi粒子获得诺贝尔奖，这个很好玩吧？

她说，发现的过程确实很激动。你知道，博士生和博士后们的日常采集和分析数据过程常常很无聊，但是那天下午忽然在这个能量频谱上发现了这个异常显著的峰值，并且得到了明显的衰变事件，整个组都激动坏了。在冷静地确认和统计检测后，大家赶在下午计算好数据，连夜写好了文章投出去，第二天早上编辑校正之后就发表了。

看着我们这些激动得两眼放光的小朋友们，她又说，我们CMS实验可能很快就有新的物理发现，就是希格斯粒子，到时候我们发现了，就再得一个诺贝尔奖？

我和小伙伴们都笑了。那一年，距离彼得·希格斯教授提出这个理论已过去四十年，无数人前赴后继地努力尝试去验证它，寻找希格斯粒子的对撞机和探测器还在一步一步测试和建造。面对这个八字都没一撇的诺贝尔奖高兴得是不是太早了。汉森也笑了。她说，为什么不可能呢？

正如谁又能料到，这个美国老太太的爱好之一是开跑车呢。汉森尤其喜欢她自己的那辆99年款的讴歌手动变速跑车。我第一次见识她的这辆灵巧的Integra GS-R的时候，是她带着我轻松穿梭于加州60号公路上去南加州大学看橄榄球比赛。那天是南加大对伯克利，我们都穿着象征着南加大特洛伊精神的大红色，随着大片热闹的红色人群一起跟着乐队吃着烧烤喝着汽水，然后在观众席上互相问对方，这球是怎么踢的你看懂了么？

2005-07-03

费米实验室

有一天汉森和我说，芝加哥的费米国家实验室里面也有一群钻研计算软件的科学家，你去和他们一起玩吧。这样我认识了我的新的小伙伴，凯文（Kevin）和奥利弗（Oliver）。

费米国家实验室坐落在一大片平地，上面都是低矮的小楼，仅有一座人字形的高层建筑叫做Wilson Hall。

第一次载我的班车司机老大爷是个话唠，他告诉我说，“年轻人，我们都管那栋楼叫High Rise，这样显得你是实验室里面的熟人，利昂（Leon）你说对吧？”顺着他的目光，一个银发帅气的老者微微一笑。

这位老者就是利昂·莱德曼（Leon Lederman），1988年诺贝尔物理学奖获得者。顺便提个小故事：希格斯粒子本来的昵称不叫“上帝粒子”（God Particle），利昂在他的书里管它叫“Goddamn Particle”，意思是“我们都找了你这么半天你怎么还不出现真讨厌”。后来在编辑一再要求下才改成现在大家看到的样子，它本身和上帝一点关系都没有。

我每天准时到High Rise报到，顺便蹭一杯LHC物理中心（LPC）的espresso咖啡。咖啡机旁边就是能俯瞰整个费米实验室Tevetron加速器的落地窗。在空闲的时候大家都站在那里按下按钮煮上小小的一杯，在纸杯里留下几块钱，然后站在窗边聊一些或是研究进展或是一些理论学家的八卦。如果天气好的话，窗外会有一只金色的鹰飞快地从蓝色的天空上掠过。

我在LPC的主要工作是跟着凯文和奥利弗学写我们用的数据分析软件。凯文是项目领头人，而奥利弗公认是物理学家中程序写得最好的。在他们的指导下，我很快就熟悉起来软件，于是我就帮计算了一批重构数据，然后兴冲冲地去准备我的第一个汇报结果了。

“这些数据证明了什么呢？” 凯文问。

“我应该只是负责计算数据，不需要知道它们需要证明什么了吧。” 我有点懵。

“我们要知道为什么需要这些结果，它能证明我们的什么假设。我们不需要计算数据的机器人，一个真正的物理学家需要时刻知道自己要证明什么。” 凯文悠悠说道。

这是我博士研究生学到的重要一课。

High Rise的11层有一个倒计时的电子牌，上面记录着距离2007年7月1日还有多少天。这一天是LHC计划的粒子束对撞的日子，这一天意味着新数据的到来，以及之后的诸多科学发现。我们今天的所有准备工作，都是为了这一天。随着倒计时数字越来越小，实验工作越来越忙了。

2007-07-01

困难接踵而至

事实证明我多虑了。由于种种的技术原因，LHC的粒子对撞按计划推迟一年。基于安全考虑，它将用一个很低的能量进行初始测试。这意味着，如果要发现希格斯粒子得至少再多等一年半。

这次推迟在几个月之前大家就预料到。追踪探测器的外部条状硅片测试结果总是不满意，那家负责制造的意大利厂商干脆就撂挑子说问题太难了干不了了。中央的像素硅片的问题更加麻烦，还有各种运输、安装、连接和冷却系统的种种问题。我们博士生们内心难免有些担心自己的毕业问题，我们是不是真能对撞成功？

这一天我问汉森，这次延后会不会对希格斯粒子的发现有什么不好的影响？她很淡定地说，小朋友，研究就是这样，特别是做实验物理，我们总是有各种各样的困难。

“来，给你说个故事吧，在1990年代初，物理学界也曾经有过寻找希格斯粒子的热潮，物理学家们全速开动，想在德克萨斯建立超级对撞机（SSC）来寻找希格斯粒子。SSC的设计能量远高于现在CERN的大型强子对撞机（LHC），大家都对它抱有很高的期望。可是工程建设到一半，美国国会的科研资金突然中断，这个计划被迫停止。科学研究就是这样，至少我们只是推迟了，不是吗？”

“那么，在德克萨斯的坑都挖好了怎么办？”我问道。

“哦，后来是一个去了华尔街的高能物理博士生掏了几百万给填了呗。” 汉森轻描淡写。

我和小伙伴们都惊呆了！

2007-12-02

又一个幼稚的问题

“我们能发现希格斯粒子么？” 这是我第1559次问汉森这个问题。这样的场景对我们来说已如武侠小说中小沙弥无数次地问师傅什么是禅一样司空见惯。

“如果它存在于理论允许的误差范围内，我们在大型强子对撞机的能量范围很可能发现它。” 汉森安慰说。

“那么，如果它事实上就是不存在，我们不是这几亿都白花了么？”

“那唯一的损失可能是希格斯教授没有诺贝尔奖以及霍金教授能赢100块。如果确定这个粒子不存在，也是很有价值的，这样我们能划出一定限定区域，理论物理学家可以根据我们的限制条件来改善他们的模型。我们的结果还是会有很重要的意义。”汉森细心地解释说。

“我们还有几千个理论学家和他们的一堆超越标准模型可以挨个证实呢，不要担心没有得玩。”她补充道。

“我觉得还是能找到希格斯的，因为霍金赌过的基本上都输了。” 我说。

2008-06-20

离去

吉恩（Jean）是我从未谋面的小伙伴。最后一次看到他的名字是在今天的CMS的群组邮件里，邮件的内容是他因癌症去世。

2006年，我想到了一个用编程算法来解决在硅探测器里光子数损失的办法。实现这个算法需要不少努力，虽然凯文和奥利弗在这个问题都给了不少帮助，但还不够。

有一天偶然看到康乃尔大学研究组的报告中提到了一个类似的方法，我就给方法的提出者吉恩发了封邮件，问了一些细节问题。他很快回了信，耐心讲解了他方法的每一个细节。在接下来的几个月里，我们交换了很多意见和测试结果，工作有了很快的进展。

后来吉恩回信的间隔越来越长，我以为他的研究兴趣转向了别的更有趣的课题。换个新课题这很常见，我并没有在意什么，我给他的回信随之也越来越慢，直到收到了这封群组邮件。信上说，“……吉恩最近一年多都在坚强地和癌症抗争，我们怀念他带给我们的敏锐思考和精准判断力。”

现代科学实验越来越复杂，像CMS实验这样从设计到第一次对撞之间二三十年筹备期已经越来越平常。很多实验人员十几年甚至二三十年的青春都投入在这个实验上，我们已经不可避免地看到作者列表上出现“Deceased（过世）”字样。比如吉恩，比如我们的前系主任本杰明·沈教授，比如那些我们见过，聊过，或从未谋面后来却离开了的小伙伴。他们在和我们一起追寻理想的路上领跑，为我们扫平了障碍，纠正了路标，点亮了前方的路灯，所以我们应该更好地前进，不是吗？

2008-09-19

紧巴巴的日子

一年的时间慢慢地走过。其间我们更换了硅器件的测试厂家。从意大利人手里接过这个难题的日本人用了日本传统的解决方法，用持续一年的每天24小时不间断测试终于让硅片的测试结果趋于满意。对撞机和探测器的安装也一步一步完成，我的重构算法也在多项测试数据上表现越来越好。这似乎渐渐走向顺利，我们需要的就是等待LHC的粒子对撞了。

这天夜里，LHC控制室传来消息，LHC的一个电磁连接器在高负荷运转中烧毁。如果要修复这个问题，得把已经冷却的整个27公里长的LHC地下管道全部清空，修复安装时间约耗时一年。

第二天早上，我问汉森，我们还有希望发现希格斯粒子么？她说，再等等吧。

美国政府在2008年经济衰退中缩紧了科研资金的投入，本以为LHC的启动可以帮助刺激一下资金的申请，现在美国国家自然科学基金和能源部的基金申请都很困难。

在日内瓦这个出去吃顿好点的都得30瑞士法郎的地方，本来日子就过得紧巴巴的研究生博士后小伙伴们的日子更要数着过了。欧元也跟着起哄暴跌，这让日内瓦的公交系统也支撑不住了。平时去日内瓦市里只要折合3瑞郎，现在小伙伴们都得多从钱包里抠出来好几毛钱。

那段时间，“欧元－瑞郎－美元－人民币”的汇率是小伙伴们更关心的数据，能存瑞郎就别存欧元。我们互相开玩笑说，不如拿我们省的几百美元炒个汇率赚个公交车钱得了。

事实上，其他的大学同学们早就工作挣上了很多钱了，我们也早就习惯于无视他们在facebook上贴新买的宝马奔驰之类的照片。我们平时都表现出一副“钱还够用毋需太多”的清高科学家的样子，但在这个无法预见未来的资金的情况下，我们这些还没毕业的小伙伴也在聊着说，你看我们又能编程又会数学，去干点什么不能挣钱啊。

有很多认识的小伙伴因为研究组的资金问题不得不退出了实验，很多都去了硅谷和华尔街，我们数着他们一个一个离开，自己回去在办公桌抽屉里翻出了几个硬币，欣喜地揣好在钱包里去坐公交车，心想，科学家的事，能算抠么？

今年冬天CERN早早地放假，我和ATLAS实验组的小伙伴们围在炉子边吃着国内带来的火锅玩着纸牌，屋外风雪很大。小伙伴们谈论着今年招博士后的情况，可申请的职位很少，职位的竞争很激烈，就连去华尔街当矿工这条路也随着金融巨头一个一个倒下而变得希望渺茫。“这是一个地主家也没有余粮的时候啊。” （矿工：意为华尔街的数量分析师，他们多是数理背景的博士，因为与“quant”谐音，被戏称为矿工。）

2009-12-10

数据，数据！

LHC修复后第一次在900GeV能量下的对撞和数据采集都很成功。这是LHC的在多次推迟和事故之后终于第一次获得粒子对撞数据！我的重构算法在第一批实际数据上成功找到1019个事件。

之后的某天，汉森很高兴地跑来告诉我，“看到了么，你的结果在CMS的内部通告上被提到了，评价是‘应该是很可靠的结果’。大家都知道你的贡献了。”

这是我的工作第一次得到实验组的公开认可。看来今年的冬天应该没有那么早放假，小伙伴们都忙碌起来了。我们的第一次火锅聚餐居然拖到了圣诞节之前。

2010-12-02

暴风雪中的生日

今天我28岁了。现在外面下着大雪，我得在早晨7点之前赶到在法国Cessy的CMS的中央控制室接班轮值，监控对撞和数据采集的工作。今天可能有粒子注入和对撞的实验安排。

除了写程序、分析数据、写论文，在控制室轮班也是我们小伙伴们重要日常工作之一。每个参与实验的大学都要完成一定的控制室轮班的配额，我们要做的就是监测探测器和数据采集器每部分的状态，在出现问题的时候能及时解决或者打电话汇报给相关技术人员。如果轮值的时候能赶上LHC的粒子注入和对撞，控制室的博士研究生们都会很激动，看着屏幕上显示的粒子准直、加速、对撞，仿佛看到离发现希格斯粒子和博士毕业又近了一步。

我和意大利小伙伴斯蒂法诺（Stefano）负责这两周的硅探测器部分的监控和数据采集。斯蒂法诺是个典型的米兰出生的意大利北部人：秃顶、对工作一丝不苟，以及讨厌法国男子足球队。

我和他认识是在那年的世界杯法国队被淘汰的时候，他在用意大利语高声欢送法国之余不忘记安慰我说，中国队也是有机会进入世界杯的。

斯蒂法诺对数据有天生的敏感，他总是能依靠直觉神奇地看出来数据采集质量的问题。我刚到控制室学习这些监测工作的时候，就是跟着学他每天的工作。这是我们实验组的一贯规矩：没有老师，新来的人跟着一起工作就学会了。他可以盯着四个监控屏幕的滚动数据很久，然后飞快地做上标示，让人觉得他更像是个资深股民。

我曾经问过他，你怎么能一下就能看出来哪个问题的原因？他无不自豪地说，我们意大利人的工作方式就是认真。今天他在我之前一轮夜班中记录下了可能出现问题的几个频道，交给我说，白天可能有粒子注入和对撞的数据采集工作，重点看一下这几个地方。然后，他拿了我带来的羊角面包当早饭，准备回家睡觉。

“法国人就老老实实做好面包得了，踢什么球呢？”斯蒂法诺拍拍手上的面包屑，扛上铁锹去停车场挖他的车，因为外面的大雪把每辆车都包成了一个白色大馒头。我们小伙伴们吃着面包喝着咖啡，看着斯蒂法诺在雪中挖车。

外面的雪实在是太大了，刚刚挖出来一角，就很快又被大雪铺上一层，不过意大利人的坚韧性格终于在两小时之后获得了回报，一辆白色的车终于被挖出来了。

之后斯蒂法诺哭丧着脸回到控制室，略带哭腔地说到：“我挖错车了！”

我很佩服意大利人的认真，并真诚建议，不要都买白色的车。

2011-04-21

虚惊一场

这天夜里，我的信箱中突然跳出了汉森的一封信。她极少在半夜会给学生写信。在信中，她措辞有些着急地问我说，知不知道ATLAS实验刚刚泄露一篇论文，维斯康辛大学的研究组宣称他们在115GeV能量频谱附近观测到一个类似于希格斯粒子的能量峰值。

我打开facebook，所有的小伙伴们都在谈论这个疑似希格斯粒子的发现。通过一些朋友同事的打听，差不多知道了：维斯康辛大学参与的一个ATLAS的实验组观测到一个在115GeV附近的有4个sigma标准差的峰值，没有达到可称为发现的5个sigma标准差。我们发现这个结果从统计数据和能量分布等方面都有很多可疑之处。并且，在CERN的科学实验过程中，任何公开发表的结果必须通过CERN选定的审阅组和整个实验组的审阅这两道审阅程序。这样在审阅之前擅自泄漏结果绝对违反了CERN关于严谨科学研究的要求。

不只是我们，整个CMS实验组和ATLAS实验组都对这个类似希格斯粒子的结果抓狂了起来，如果这个发现是真的，很多之前工作结果都会被改变。在希格斯实验组几乎所有的小伙伴在接下来的一段时间都没有任何休息时间，我们的几万个CPU的网格计算服务器全负荷运算，试图重复这个可疑的115GeV的粒子能量峰。

经过几天的计算和激烈的讨论，我们发现这个疑似希格斯粒子并不能重复发现，在新的数据中这个能量峰消失了。CERN撤销了这个橙色警报，并且重申了关于严谨科学研究的要求，绝不允许类似的事件再次发生。

小伙伴们都松了一口气，扭头回去把几天的觉补上。

我曾向汉森抱怨过，这样的假警报太浪费时间了。她说，我们可以为一个重要发现连夜计算，但是我们一定要做冷静和清醒的研究者。如果太想去为了争夺所谓的什么奖而匆忙地给出一个错误的结果，这只能是浪费大家的时间，这对人类的贡献为零。毕竟愚人节已经过了20天了。

历史上的LEP的实验也有过类似这个115GeV的警报。这就是后来实验高能物理里的关于“115GeV”这个魔法值的传说。

2012-01

如常的繁忙

今天早晨的希格斯双光子衰变的讨论会又是4个小时。其中共有进度报告6个，平均每个15分钟；伴随辩论7次，平均每次15分钟。随后我把我的计算作业提交到网格系统上，这估计又得算个一整天吧。

利用等待计算的时间，我把CERN评审组给我们另一篇论文提的几十个问题挨个答复，这些问题其中还包含了“把箭头换成绿色的印刷效果可能比较好”之类的。下午还得给新加入我们组的师弟讲解一下程序的流程。这就是那段时间每天的工作。

加州的天气一直晴朗。有一个年长一些的小伙伴在找他的下一轮博士后职位，正好来附近的学校面试和讲述学术报告。我们决定奢侈一把，和其他小伙伴一起点了几磅大虾和鲜辣的帝王蟹腿，伴着加州的日落，坐在长滩的海边。

“如果今年的数据能凑到5个sigma，然后我们能找到希格斯，那我们找博士后的工作能稍微容易点吧。”当时正在忙于找博士后职位的我不放弃任何机会来讨教。

“希望如此吧，找不找得到还不一定呢，再加把劲吧。” 学长拿着纸巾擦擦都是辣酱的手指，唏嘘道。

“我说的是找博士后，不是找希格斯啊。”我把大虾的头对着他纠正道。

“我说的也是找博士后啊。”

太阳慢慢地在海那边的云层后消失，沙滩上的颜色由金黄色变成蓝色，只有旁边墨西哥人一家孩子们还围着篝火打闹。海边的温度越来越低，今年的博士后职位和教授职位也越来越少。

2012-07-04

全世界都在看我们的发现

CMS实验组的发言人乔伊（Joe）是汉森的多年同事，我和乔伊在硅探测器组也合作过一段时间，他是我的小伙伴们中不多的符合“高富帅”三字标准的帅老头。今天他打扮得异常帅气出现在CERN的新闻发布会上，我们都知道今天他和ATLAS的发言人会带给大家一个大新闻，我们也知道乔伊最近的几周忙到每天根本没有多少时间睡觉，因为在发布会的前几天争论还在持续。

在过去的半年里，希格斯双光子衰变的讨论会越来越长。随着数据量的积累以及数据分析工作越来越明晰，我们也越来越确认我们的观测结果，我们也确信要公布这个已经达到5个sigma统计偏差的重要发现。

可是，我们不能宣称我们发现了希格斯粒子。因为在物理事实上，我们并没有观测到希格斯粒子，我们只是观测到了一个各方面看起来都很像希格斯粒子的“那么一个东西”。

2012年7月4日，世界如往常一样平静，而处在新闻发布会之前的CERN却进行着几乎是我看到过的最激烈的讨论。

对于即将发布的结果，有人说，我们都知道它就是希格斯粒子啊；有人说，没有测量它的自旋值等其他属性，我们不可以说它就是希格斯粒子啊，我们现在只有5个sigma的统计偏差，不能太过于冒险。

争论一直持续到发布会之前的一天。经过了几千封email和评审委员会的激烈讨论，CMS实验组和ATLAS实验组协商决定严谨得称这个粒子为“似希格斯粒子（Higgs-like particle）”。这一结果，且不用说学术圈外的普通人，连我那位差点拿到物理学博士的未婚妻都弄不清楚究竟意味着什么，直到一年后随着2013年10月8日诺贝尔物理学奖的公布才走进公众视野。

这篇论文在之后的一年内达到了1500次以上的引用。平均每天都增加四五次引用，这在学术界极少有论文可以达到这样水准。

在发布会上，我们看到了希格斯粒子理论提出人之一的彼得·希格斯教授在偷偷地擦眼泪。他对记者说，终于看到这一天了。这一天，当年提出这个理论的六位理论学家只有五位还在世，其中的两位后来获得了2013年诺贝尔物理学奖。

这一天，我们给世界带来了新发现。现代科学越来越复杂，远不是牛顿时代那样单枪匹马就能有所作为，一个重要的发现背后多是几千人几十年的共同努力。我们小伙伴们互相学习，互相纠正，互相支持着我们的梦想，都为了这一个目标夜以继日地努力。

多年以后，随着人类科学的进步，我们今天的这一发现可能只会变成未来厚厚的物理教科书上薄薄的一页，更不会有人记住我们每一个人的名字。可这就是我和小伙伴们所做的，我很庆幸我能和他们一起为了人类的知识贡献了这一页。

来源http://www.nbweekly.com/news/tech/201311/34938.aspx

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