我寻找希格斯玻色子已经近 20 年了。于是，在一个十二月的星期六早晨，我人在欧洲核子研究组织，当我看到我们整年都在努力绘制的图表时。起初我以为是出了什么错——我脖子后面的毛都竖起来了，我说道：“我的天！那是什么？”我该从何说起呢？很久以来，我们的粒子物理学领域一直完全痴迷于寻找我们称之为希格斯这种“巨兽”。我们有一个非常成功的数学模型，称为标准模型，它已经极好地解释了自然界中数百种不同的基本粒子及其相互作用的实验和观测。我最喜欢的类比是，一百年前我们有了元素周期表，它根据化学性质，从卤素到惰性气体，将所有元素整齐地排列成行和列。但一百年前，没有人知道这是为什么。又花了三十年的实验和理论研究才弄清楚。这导致了量子力学、氢原子方程的解，以及对更复杂的原子和分子的理解。然后一切都爆发了：核能、硅电子、计算机、手机……更不用说美国国家安全局的窃听和 YouTube。但我跑题了。现在我们有了一个关于微小粒子的小巧元素周期表，我们称之为夸克和轻子。
从夸克首次被设想出来到现在，已经过去了 40 年。然而，这种整洁的三代结构，却急切地需要回答这些问题：为什么它们的质量如此不同？为什么只有三代？为什么电荷是奇怪的分数？（或者电子的电荷是三个更基本电荷单位？）希格斯玻色子本质上是标准模型的一个副产品，可以说是渗透到所有时空的假设“希格斯场”的一种物理表现，所有粒子都以某种程度与其相互作用。与希格斯场的相互作用越强，粒子的质量就越大。我们称之为“玻色子”，而不是“费米子”（所有夸克和轻子都是费米子），因为它被认为没有自旋，没有内在角动量。然而，30 年前，标准模型并没有为我们提供希格斯玻色子质量的任何指导，只知道它可能比质子质量大不了多少。所以，20 年前，我们在瑞士欧洲核子研究组织的 LEP 加速器上，这是我们认为可能能够产生希格斯的第一台加速器。我参与了其中一项名为 ALEPH（一种拥有全方位眼睛的神话怪兽）的四项大型实验之一，我们从最小的质量开始，然后逐步向上探索。我们曾经以为自己找到了，但那是一种实验上的海市蜃楼。1993 年我搬回美国，并在费米实验室当时新建的 Tevatron 加速器上的 CDF 实验中继续搜寻。LEP 加速器将电子与其反物质对应物——正电子——对撞，能量大约是质子静止质量的 100 倍。而 Tevatron 加速器则对撞质子和反质子，能量是 LEP 的 20 倍！不幸的是，正如我们现在所知，质子和反质子是由叫做夸克的更小粒子以及将它们结合在一起的“胶子”组成的。（名字不错吧？）所以实际上是夸克和胶子在对撞，所以你无法将所有能量都集中到有趣的碰撞部分。最终，能量接近 LEP 的水平，但偶尔会更高。有时会高很多。在我们感兴趣的情况下，为了产生希格斯玻色子，实际上是胶子在对撞。事实上，我们感兴趣的情况不是标准模型，而是一个叫做超对称的扩展。如果我们发现超对称，我们将终生拥有工作保障，因为如果我们假设超对称是真的，那么我们知道的每一种粒子，都会有一个对应的超对称粒子。在希格斯玻色子的情况下，有不止一种，而是四种要发现！更好的是，如果存在超对称（简称 SUSY），那么希格斯玻色子在 Tevatron 加速器上的产生率可能会大大提高。这就是我多年来在 CDF 实验中一直在做的工作。如果你产生了希格斯玻色子，然后呢？它几乎瞬间就会衰变，变成它能产生的最重的夸克-反夸克或轻子-反轻子对。对于我们寻找的希格斯质量，这将是 b 夸克和反 b 夸克，或者 tau 轻子和反 tau 轻子。tau 轻子无疑是我的最爱。它只是电子的一个重版本，但它的质量大约是质子的两倍，这意味着它以许多有趣的方式衰变。“有趣”是“愿你生活在有趣的时代”这样的诅咒，或者“国税局发现你的税务申报很有趣”。在典型的 Tevatron 质子-反质子碰撞的碎片中找到 tau 衰变，是最大的实验挑战之一。这有点像“威利在哪里？”，因为经常从碰撞中喷涌而出的无处不在的夸克和胶子看起来就像 tau 衰变。我不会在这里详述我们如何区分 tau——经过 15 年的工作，我们开始在 Tevatron 加速器上擅长这项工作了。足够好，以至于我们只有一小部分时间会误将夸克或胶子当作 tau，而且我们有方法来衡量这一点。我们在费米实验室和欧洲核子研究组织所做的工作需要大型团队——Tevatron 实验有数百名物理学家，而新的欧洲核子研究组织实验则有数千名。显然，你不可能同时与数百人一起工作，所以我们被组织成规模小得多的工作组，他们经常开会讨论进展。有一个由大大小小的会议组成的整个金字塔结构，结果在那里被呈现、批评和完善，直到根据合作的规则，一个结果被“祝福”并公开发布。我被邀请在十月份在一年一度的阿斯彭粒子物理会议上展示我们以及其他人对 SUSY 希格斯搜寻的成果。这是每年年初的启动国际会议，我非常幸运被邀请。我们 CDF 物理学家的小团队认为这是一个展示我们新成果的机会，所以我们整个秋季都疯狂地工作，以完成这项研究。有需要校准的地方，需要进行交叉检查，需要撰写内部笔记。我的部分是最终提取结果，我们完全预计结果会是零——没有任何希格斯迹象。这类搜寻就是这样的：就像在轮盘赌上押大赌注，获胜的机会很小，但如果赢了回报很大。自 2001 年以来，我一直与 Amit Lath 和 Anton Anastassov 一起从事这个项目。他们是我当时在罗格斯大学的同事：Amit 是那里的教授，我们在 2000 年雇佣了 Anton 作为博士后。他们是我认识的最聪明的人中的两个，并且和我一样，他们都对 tau 及其可能性着迷。团队还包括另外两位才华横溢的年轻成员：Dongwook Jang，前罗格斯大学研究生，现任圣母大学博士后；以及 Cristobal Cuenca，我在瓦伦西亚的学生。到目前为止，Anton 在这个项目上做了最多的工作，他一直负责保持引擎的运转和调优。继续这个类比，如果这个项目是一辆车，我就是那个能把它开得非常非常快的人，而 Amit 则会弄清楚我们在哪里以及走了多远。（好了，就这样吧。）作为诚实的科学家，我们等到完成了所有的检查和控制，并确信我们的同事们已经准备好，然后才会“打开盒子”，看看里面是什么或者不是什么。在 2005 年的一个早期版本的结果中，我们没有看到任何异常。我们选择的碰撞通常大部分是由于 Z 玻色子的产生，Z 玻色子与 W 玻色子一起负责弱核力。对我们来说，这就像一个标准烛光，看到正确的数量就表明我们工作做得正确。实际上，Z 玻色子的质量大约是质子的 100 倍，而我们正在寻找的质量可能比这重 20-50%。所以，除了我们图表中来自 Z 事件的大“峰值”之外，我们还在更高的质量处看到第二个、小得多的峰值，这是超出所有普通背景信号的，预示着新事物的产生：SUSY 希格斯玻色子。所以，那个星期六，我准备好了——我们已经获得了打开盒子的绿灯，我准备提取最终结果。我打开了盒子，制作了图表，然后它就出现了。我的天！未完待续……
