科學是如此一門學科，在其中，即使是此輩之愚者亦能超越上輩之智者。
——馬克斯·格盧克曼（Max Gluckman）
大型強子對撞機（LHC）是歐洲核子研究中心（CERN）目前正在運行和最為重要的實驗裝置，其主要科學目標包括精確檢驗粒子物理的標準模型、發現標準模型的最后一塊基石——希格斯粒子，以及尋找超出標準模型的新物理信號等。
LHC 及其配套的六個探測器由八十多個國家的近萬名科學家，歷時二十年，花費逾百億美元于2008 年在日內瓦的歐洲核子研究中心（CERN）建成并試運行，次年開始正式運行。幾十年來，CERN 建造了包括著名的大型正負電子對撞機（LEP）在內的若干不同類型的粒子物理、核物理實驗裝置，產生過多項具有里程碑意義的重大科學研究成果，甚至現在風靡全球、人們日常生活不可或缺的萬維網（WWW）也發端于CERN 的實驗室。
希格斯粒子
希格斯粒子究竟是什么？為什么花費那么多時間、精力和財力都要找到它？
這要從標準模型理論開始講起，在標準理論中，大到不可思議的宇宙，小到難以想像的基本粒子，不勝枚舉的數據（主要來自物理學、化學和生物學）都能夠被描述和預測，精確到嘆為觀止的地步，而需要的僅僅是一些基本元素：夸克、輕子、四種基本作用力，再加上希格斯玻色子。
在標準模型中，夸克和電子構成了世界萬物，而它們本身不由任何東西構成。但我們知道世界萬物是有質量的，而質量就來源于希格斯粒子（原本沒有質量的基本粒子在宇宙冷卻的過程中獲得了質量；希格斯場也通過自相互作用獲得了質量，對應的粒子即是標量希格斯粒子）。
標準模型理論可以說是目前人類對微觀世界認識方面的最高理論成就。標準模型是如此成功，模型所預言的各種現象不斷被證實，模型所需的基本組員也陸續被發現。2012年前，唯一的缺憾就是希格斯粒子還未找到。科學理論是對自然的解釋和描述，正確與否最終都要靠實驗來檢驗。如果得不到實驗檢驗，再漂亮的理論，不論它看起來是多么玄妙，也不過是個假說，不會有長久的生命力。
終于在2012年7月4日，這個必定成為人類科學史上一個重要日子的一天。這一天，兩個開展LHC物理研究的重要國際合作實驗組ATLAS 和CMS，同時宣布在各自的探測器上均發現了希格斯粒子存在的跡象。
LHC
現在我們來詳細介紹一下LHC。在瑞士、法國邊境地下百米深處暗藏著一條環形隧道（圖1）。隧道全長27 千米，里面藏著個龐然大物。它就是我們的主角：大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）（圖2）。
【黃色小圓環為全長7千米的超級質子同步加速器，大圓環為全長27千米的大型強子對撞機。紅色和藍色圓環示意兩道質子束運動軌跡和方向（入射箭頭表示質子束注入），它們相交于四處，分別為四個主要探測器所在地。黑色實線表示LHC環道的八個等分區域，ATLAS在第一區域。CMS在第五區域。】
【LHC為大型強子對撞機，SPS為超級質子同步加速器，PS為質子同步加速器，AD為反質子減速器，CTF3為緊湊直線加速器測試設施，CNGS為從CERN到大薩索山中微子項目，ISOLDE為在線同位素分離器設置，LEIR為低能離子環，LINAC為直線加速器，n-ToF為中子飛行時間測量裝置。】
LHC 高能質子–質子對撞實驗裝有四個大型探測器，ATLAS 和CMS 就是其中的兩個多功能探測器，ATLAS 探測器非常龐大（圖3），它深藏地底，位于LHC 的一個對撞點上。這些對撞點，顧名思義，就是身懷全球最高能量的兩道粒子束對撞之處。
大多數高能粒子物理的探測器都分布在粒子束對撞點周圍，它們洋蔥結構的每一層都包含不同的技術，專門為了觀測對撞的各種不同效應而設計（圖4）。ATLAS 探測器身為兩個通用型粒子探測器之一，負責粒子束對撞結果的測量任務。
【對撞產生的粒子經過內層跟蹤器、熱量計和μ子譜儀時表現出不同性質（虛線表示無法被相應儀器探測到）。μ子可以被所有儀器探測到，最后飛出探測器；光子和電子停留在電磁熱量計，但光子無法被內層跟蹤器探測到；質子和中子停留在強子熱量計，但中子無法被內層跟蹤器和電磁熱量計探測到；中微子無法被任何儀器探測到，徑直飛出探測器。】
標準模型中的粒子和作用力
如果你不介意陌生奇怪的名詞，你完全可以跳過“術語”部分。但如果不了解標準模型的一鱗半爪，恐怕有些段落會不知所云。
試問：“一尺之棰，日取其半，是否萬世不竭？”對于這個古老的問題，粒子物理的標準模型給出了一種解答，而且它是目前已知的最佳解答。
讓我們再來一場想像之旅，這回往微觀世界。想像一下，隨手拿個物體，將它剝洋蔥般層層剝開。你將發現從宏觀到微觀，它呈現著奇妙的層次結構，一直小到微米、納米尺度的小顆粒：纖維、細胞、線粒體，等等。繼續剝開這些小顆粒，最終你將得到分子。如果能量足夠大，還可以剝開分子，得到原子。原子由原子核和電子組成。原子核非常小，結構堅硬致密，穩坐正中央，而電子如云霧般環繞著原子核。
你需要非常高的能量，才能從原子核的電磁吸引力中奪走電子。如果擁有更高的能量，你甚至可以剝開原子核，得到質子和中子。然而這仍非終點，如果你有能力繼續提高能量（求助于大型對撞機吧！），還可以剝開質子和中子，得到夸克（quark）。迄今為止，人類還無法剝開夸克，也沒有發現夸克的任何內部結構。日取其半，已經無物可取了。
在“粉碎原子”時，我們得到了原子核和電子。迄今為止，人類還無法剝開電子，也沒有發現電子的任何內部結構。這種現象（無法繼續剝開粒子）就是判斷粒子是否屬于“基本粒子”的標準。
無論從什么物體開始，無論它是什么材料，只要不斷提高能量，層層剝開，最終它都會“粉碎”成夸克和電子，無一例外。
如果堅持閱讀下去，你會遇見為數眾多、名稱各異的粒子。但記住，萬變不離其宗，如果剝開它們，只會得到少數幾種基本粒子（圖5）。
【三代12個費米子（夸克和輕子，每個均有反粒子）以及四個規范玻色子。為了解釋質量起源，引入希格斯玻色子。（棕色區域表示相應規范玻色子可以與區域內的費米子耦合。）】
電子屬于輕子（lepton），輕子是一類基本粒子的總稱。μ 子（muon，讀作渺子）和τ 子（tau，讀作陶子）也屬于輕子，它們和電子相似，但質量更大。除此之外，輕子還包括三種中微子。中微子特立獨行，幾乎不和任何物質相互作用，但它們比比皆是，不可勝數。太陽就是一個巨大的中微子源，每秒鐘約有一千萬億個來自太陽的中微子從你的身體穿越而過！夸克組成了另一類基本粒子。正如輕子有六個成員，夸克也有六種，分別為上夸克（up）、下夸克（down）、奇異夸克（strange）、粲夸克（charm）、底夸克（bottom）和頂夸克（top），質量依次遞增（但名字古怪程度中間最高）。上、下夸克組成了質子和中子。夸克總是禁閉在比它們更大的粒子中，人類從來沒有發現自由夸克。由夸克組成的更大粒子通常稱作強子（hadron，所以有大型“強子”對撞機，它主要用來對撞質子，偶爾也會用來對撞含有質子和中子的原子核）。
我已經介紹完目前已知的所有物質粒子。每一種粒子都有各自對應的反粒子，并且它們通過作用力相互作用——吸引、排斥或者散射（圖6）。粒子之間的作用力不能憑空產生，需要由介質傳遞，而另一類粒子，矢量玻色子（vector boson），扮演著介質的角色。
電磁相互作用（電磁力）由光子（photon，光的量子）傳遞，作用于帶電粒子，即中微子以外的所有粒子。
強相互作用（強力）由膠子（gluon）傳遞，作用于夸克。
弱相互作用（弱力）由W和Z 玻色子傳遞，作用于所有粒子。
標準模型若要真正發揮作用，尤其是讓基本粒子獲得質量，就必須引進另一種全新的粒子——希格斯玻色子（Higgs boson）。
或許你已經注意到，怎么一直不見提起我們最熟悉的引力？不幸的是，目前的標準模型中還沒有引力的一席之地。引力由愛因斯坦的廣義相對論描述，而迄今為止物理學家對廣義相對論的量子化仍然束手無策。
內容選自《希格斯粒子是如何找到的?》。
