伊利诺伊州平原之下掩埋着一台庞大的机器，旨在将物质分解成最基本的粒子。它被称为粒子加速器，依靠 1,000 个巨大的超导磁体、700 名科学家和工程师，以及每年超过 1000 万美元的电费来维持 24 小时、每周 7 天的运行。
这台加速器有一个孪生兄弟，隐藏在日内瓦郊外的阿尔卑斯山下。这两台巨大设备的 शोध者们怀揣一个共同的、看似不可能的目标：他们正在寻找一种难以捉摸的物质。他们搜寻的目标极其微小，而且如此模糊，以至于几乎没有人知道它的存在。尽管如此，风险很高：无论哪个团队先找到它，都可能获得诺贝尔奖。
所有这些审视的焦点是一种被称为希格斯玻色子的基本粒子。诺贝尔奖得主物理学家利昂·莱德曼曾将希格斯粒子称为“上帝粒子”，而这个神圣的比喻并非完全不恰当。如果希格斯粒子确实存在（尽管仍存在一些疑虑），并且能够被识别出来，那么科学家们将能够回答一个曾经只有哲学家和疯子才会问的问题：为什么物体会有质量？此外，如果能观测到希格斯粒子，可能会动摇整个物理学的基础——带来一些迄今为止无人想象的粒子，以及一些违背所有已知定律的力量。许多研究者认为“新物理学”即将到来，他们希望希格斯粒子能成为他们的向导。
乍一看，位于伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室（Fermilab）似乎并不是一个即将发生宇宙事件的地方。当您进入芝加哥以西不到一小时路程、占地 6800 英亩的广阔园区时，您首先注意到的是空旷：这片区域异常荒凉，只有几簇工业建筑和一群四处游荡的野牛。这里潜藏的强大能量唯一线索是一个直径 4 英里、高出平原 20 英尺的巨大土环。
那个环是一个圆形地下隧道的轮廓，这就是被称为特瓦创（Tevatron）的粒子加速器。特瓦创太大了，它已经不是传统意义上的机器，而是景观的一部分。它的目的是让质子束和反质子束以尽可能快的速度沿相反方向运动——在高性能的特瓦创中，快意味着光速的 99.99999%。质子和反质子在仅几英寸宽的管道中循环；隧道其余部分则填充着电线、走道以及 15 英里长的管道，为超导磁体输送液氦。
一旦质子束和反质子束加速前进，它们就会被导向一场剧烈的迎头碰撞。当质子撞击反质子时，它们会在纯能量的爆发中互相湮灭。产生的碎片常常包含新的粒子——其中就可能包含希格斯粒子。
两个探测器，每个都有三层楼高，布置在特瓦创的巨大环形隧道中。质子-反质子碰撞被精确地安排在探测器内部发生，探测器内包含由电线、硅探测器和微芯片组成的网络——总共 5000 吨电子设备。这两个探测器的作用很简单：为每一次碰撞及其产生的粒子喷射拍下一张快照。听起来很简单，但请记住，特瓦创的探测器每秒发生 250 万次碰撞。而在数十亿次碰撞中，只有一次有产生所需的希格斯粒子的机会。
“这些机器就是显微镜，非常简单，”费米实验室的理论物理学家克里斯·希尔解释道。我们坐在他的办公室里，俯瞰着伊利诺伊州连绵的平原与芝加哥向西蔓延的新建小区交汇的地方。希尔简朴的办公室里堆满了计算机打印件、旧的数学教科书和粉笔头——考虑到他和他的同事们决心揭示宇宙中隐藏的秩序，这种混乱的布置颇具讽刺意味。
在过去大约一百年里，物理学家在理清宇宙方面取得了长足的进步。首先，他们确定原子是我们周围一切的基本构成单元；然后，他们开始将原子分解成越来越小的碎片。电子首先出现，在世纪之交从 J.J. 汤姆孙的英国实验室里诞生；质子和中子则在几十年后出现。这三种粒子以不同的组合方式结合，构成了元素周期表中的所有 118 种元素。
但更仔细的观察揭示出比质子、中子和电子本身所能形成的结构更为复杂。1929 年，欧内斯特·劳伦斯建造了第一台圆周粒子加速器，其周长仅为 5 英寸。劳伦斯对他的新奇工具感到兴奋，开始用它探索亚原子尺度上广阔未知的领域。科学家们迅速发现了新的粒子。有些，如μ子，与电子有关；另一些，如夸克，后来被发现是质子和中子的构成粒子。这些新粒子引发了全球性的研究热潮，物理学家们开始建造越来越大的加速器，以更深入地探测亚原子世界。费米实验室和 CERN（欧洲核子研究组织，位于日内瓦附近）成为了该领域的两个巨头，并在此后交替取得发现（参见“亚原子记分牌”）。
最终，物理学家们构建了一个称为标准模型的理论，该理论至今仍然有效。标准模型列出了宇宙中所有的基本碎片，并描述了支配它们相互作用的定律。标准模型是全世界顶尖头脑一百年努力的结晶，它将宇宙的基本构成单元简化为一套基本到可以印在 T 恤上的规则。这就是物理学家们所钟爱的秩序和简洁。“归根结底，这个混乱的世界，只有很少的几个东西，”费米实验室的实验物理学家哈里·韦尔茨宣称。
但有一个问题：标准模型预测应该存在希格斯玻色子——没有它，宇宙中的一切都将毫无质量。不会有恒星、行星或人类，因为一切都将以光速在宇宙中飞行。“宇宙中的所有物质都是从希格斯那里获得质量的，”希尔解释道。据 CERN 实验发言人彼得·詹尼介绍，物理学家需要希格斯粒子来解释一个对普通人来说似乎显而易见的问题：物体具有质量。
然而，寻找希格斯粒子一直很困难。与许多基本粒子不同，希格斯通常不以独立粒子的形式出现。相反，它通常以一种弥漫在所有空间的以太场、一种无形的蒸汽的形式存在。
现在，在您的鼻子和这张纸之间就存在一个希格斯场，就像它占据着宇宙的最遥远之处一样。
希格斯场对某些粒子的阻碍作用比对其他粒子更大。一个粒子受希格斯场影响越大，它所拥有的重量或质量就越大。希尔将希格斯场比作海洋，海洋的洋流使得某些生物的运动比其他生物困难。“例如，您有一只水母移动得有点慢，”希尔解释道。“这就好像是顶夸克的类比，”顶夸克是已知最重的粒子。相比之下，电子是一种非常轻的粒子，“就像一条可以快速游动的小鱼。”伦敦大学学院的物理学家大卫·米勒对希格斯场有另一个比喻：名人。想象一个派对，麦当娜是客人。由于蜂拥而至的狂热粉丝，她发现很难自由移动。麦当娜相当于一个重粒子，被希格斯场优先减速。与此同时，一个普通的派对客人就像一个轻粒子——没有狗仔队拖累她，她可以直接冲到自助餐那里。
要找到希格斯玻色子，科学家们必须先从希格斯场中将其“剥离”出来。就像云只有在条件合适时才会形成雨滴一样，希格斯玻色子只有在存在足够能量时才会从希格斯场中凝结出来。这就是为什么粒子加速器要将质子和反质子加速到如此惊人的速度：以便在小空间内集中尽可能多的能量。
每当质子和反质子在粒子加速器中发生碰撞——请记住，这种事件每秒发生 250 万次——特瓦创的两个探测器，即 CDF 和 D0（发音为 dee-zero），会捕捉到这些爆炸。探测器内的电子传感器会筛选粒子碎片，最终丢弃许多碰撞事件，只选择最珍贵的事件进行后续分析。
CDF 团队的领导者、意大利物理学家弗朗哥·贝德斯基以一种只有粒子物理学家才能做到的含蓄方式，将他的项目简单地描述为“大型”。现实情况是，检测、识别和追踪每次碰撞产生的大量新粒子的工作，就像一辆载满成熟番茄的卡车以每小时 50 英里的速度侧翻后，追踪散落的果肉。这是一项复杂而混乱的工作。复杂的计算机程序会比较和对比数万亿次的碰撞，持续数年，寻找数据中的异常趋势。
如果科学家们成功捕捉到希格斯粒子，他们将会看到什么？就像这个领域的一切一样，这并不简单。碰撞本身可以在计算机屏幕上“看到”——每一次碰撞都被翻译成一个图像，看起来就像是从一个中心点射出的缠结的线条。但是，希格斯粒子不会出现在任何一张碰撞快照中，因为几乎在它出现的同时，它就会蒸发成一对被称为底夸克的奇异粒子。不幸的是，对于希格斯猎人来说，底夸克也可以通过多种其他方式产生。但幸运的是，由希格斯粒子产生的底夸克具有特定的能量水平。因此，当物理学家的计算机程序经过对大约 500 万亿次碰撞的残骸进行筛选，并发现大量具有可识别的希格斯能量特征的底夸克时，那个“尤里卡时刻”就会到来。
希格斯研究者们不仅要面对难以捉摸的物理定律：他们还在互相竞争。去年底，CERN 的科学家们发现了令人着迷的迹象，表明希格斯粒子已经在他们的粒子加速器中产生了。需要更多的数据来确认，但 CERN 即将关闭进行一次备受期待的升级。这是一个进退两难的局面：继续开放意味着推迟 CERN 计划中的新加速器——大型强子对撞机（LHC）的建设。关闭则意味着将阵地让给了费米实验室。CERN 的主管选择了关闭。
CERN 的大型强子对撞机（LHC）最早要到 2006 年才能上线，它的功率将是费米实验室特瓦创的七倍，每秒将产生 100 倍的碰撞。“这不是一个微小的、渐进式的进步，而是真正的一大步，”CERN 的彼得·詹尼说。费米实验室的哈里·韦尔茨对未来机器的威力更加坦诚，承认：“如果 LHC 现在就在运行，CDF 和 D0 的电源都不会开启。”
但无论费米实验室是在 2006 年之前抓住希格斯粒子，还是 CERN 稍后获得，真正的问题是：有什么回报？希格斯粒子预计将做的远不止解释质量；物理学家希望它能为 21 世纪的物理学奠定全新的基础。一些预期的方向将是对标准模型的直接延伸。另一些则完全是怪异的，假设除了我们标准的三个维度之外还存在其他维度，以及大量的粒子。而且，总有可能没有人知道 20 年后的物理学将会是什么样子。
但这并没有阻止科学家们去探索。对希尔和许多其他人来说，诱人的希格斯玻色子蕴含着许多答案。他说，希格斯粒子将告诉我们的是一个简单的问题：“从现在起，物理学的定律是什么？”
物理学家如何寻找希格斯粒子
1. 从氢原子中剥离质子，然后将其加速送入
主注入器。
2. 一些质子被导向靶区，在那里它们被射入一个装有镍金属的容器。
产生的碎片中极小的一部分是反质子，这些反质子会被分离出来。
3. 反质子被送入主注入器，与质子沿相反方向循环。两者都会加速。
4. 质子和反质子进入特瓦创。
5. 特瓦创中的超导磁体将质子和反质子加速到全速，然后将它们聚焦到探测器内部的碰撞点。
6. 探测器对碰撞产生的新粒子进行拍照（见插图）。这些数据被输入计算机组，计算机组会对数万亿次碰撞进行筛选，以找到希格斯粒子。
