【深造物理】甚麼是上帝粒子？

上帝粒子這個稱呼聽起來很玄，但它其實指的是希格斯玻色子 Higgs boson，一種在 2012 年由大型強子對撞機 LHC 被證實存在的基本粒子。它不是宗教，也不是魔法，而是我們理解物質為何有質量的關鍵。對香港人來說，這故事就像在旺角行人專用區穿過人潮那種沉重感：你感到阻力，那就是一種「有效質量」。希格斯理論的靈魂，正是讓我們把這種「阻力」在宇宙層面講清楚。

為何叫上帝粒子？其實不是神學

上帝粒子這名字來自科學家 Lederman 的一本通俗書，原意是想說這粒子重要到不得了，同時又很難捉到。他原本還戲稱它為那個該死的粒子 Goddamn particle。這名稱容易引起誤會：希格斯玻色子不是造物主，也不直接關於宗教。它只是現代物理裡的一個關鍵角色，解釋某些粒子為何有質量，為何電磁力與弱作用力在高能時是同根生的兩面。

質量從何而來：希格斯場是全宇宙的「背景海」

在標準模型 Standard Model 裡，我們不把粒子看成孤立的小球，而是各種場 fields 的振動。希格斯場 Higgs field 是一個遍佈整個宇宙的量子場，像一片看不見的海，連半夜清風路邊的空氣都充滿它。與其他場不同之處是：希格斯場在真正的真空裡也不會等於零，它有一個固定的背景值，叫真空期望值 vacuum expectation value，約等於 246 GeV。這個非零背景讓某些粒子在穿行其中時，好像在人多的地鐵月台行走，會遇到阻力，表現出質量。

這裡的質量是慣性質量 inertia，意思是改變速度需要多大「力氣」。它不等於重量 weight，因為重量還牽涉到地球的引力。希格斯場提供的是粒子本身的慣性來源。

自發對稱破缺：看不見的秩序如何誕生

電弱理論 electroweak theory 把電磁作用和弱作用統一起來，背後的數學對稱是 SU(2)L × U(1)Y。若所有對稱都完美保留，弱作用的媒介粒子 W 和 Z 應該是沒有質量的，但事實不是。關鍵是自發對稱破缺 spontaneous symmetry breaking，簡稱 SSB。

可以用一個香港版比喻：在茶餐廳，一張圓桌有很多座位，初時每個方向都等價，對稱完美。但第一位客人坐下後，大家自然圍著他排列，整個座位佈局突然有了偏好方向，對稱表面上被破了。希格斯場的能量形狀像一個甜甜圈谷，最低谷不在中心，而在環上任一點。宇宙冷卻時，希格斯場選了某一點作為背景值，對稱就以這種方式被「破缺」。三個對應的「擾動」變成了 W± 和 Z 的縱向成分等效地被吸收，令它們獲得質量；剩下那個沿著幅度方向的擾動，就是我們可以偵測到的希格斯玻色子本尊。

為何光子沒有質量？強子為何那麼重？

自發破缺後，電磁作用對應的 U(1)EM 對稱仍然完好，光子 photon 因而保持無質量，這令電磁力的作用範圍無限遠。相反，弱作用的 W、Z 因為有了質量，力的作用距離很短，這也是為何放射性衰變不會像光那樣遠距離傳播。

至於我們手上的杯子、餐具、建築物，主要重量來自原子核裡的質子和中子。奇妙的是，質子和中子的質量並非主要來自夸克 quark 的希格斯質量，而是來自強作用 QCD 的束縛能量：夸克和膠子 gluon 在核子裡高速翻攪，場的能量密度貢獻了大部分質量。換句話說，日常物件的大多數重量，其實更多來自強作用的「活力」，而不是直接來自希格斯場。當然，電子的質量與希格斯耦合密切，沒有希格斯，原子結構都站不住腳。

粒子怎樣獲得質量：玻色子與費米子兩條路

• 規範玻色子 gauge bosons：W 和 Z 透過與希格斯場的相互作用，在破缺後直接獲得質量，這是一種幾何與對稱的結果。
• 費米子 fermions：夸克與輕子 leptons 則透過尤卡瓦耦合 Yukawa coupling 與希格斯場互動。耦合越強，質量越大。頂夸克 top quark 的耦合幾乎是 1，因而最重；電子的耦合很弱，質量就很小。

值得一提：標準模型最初假設中微子 neutrino 沒有質量，但實驗發現中微子會振盪，代表它們確實有質量，雖然極輕。這提示我們在希格斯之外仍有新物理，可能是加入右手中微子或更深的機制。

希格斯玻色子是甚麼：一覽其基本性質

性質	內容
自旋 spin	0，標準模型唯一的基本純標量 boson
電荷	0
質量	約 125 GeV
壽命	約 10 的負 22 次方秒，極短
寬度 width	約幾 MeV，代表壽命短與共振尖
耦合關係	與粒子質量成正比，與 W、Z 的耦合尤其強
自耦合 self-coupling	預言存在三、四點自耦合，仍在精密測量

LHC 如何把它找出來

LHC 是位於日內瓦附近地下的 27 公里加速器，透過超導磁鐵把質子加速到接近光速，並讓兩束質子正面相撞。ATLAS 與 CMS 是兩個巨型全方位偵測器，像一座座高樓裡面堆滿層層相機和感應器。2012 年，兩個實驗相繼在不同衰變管道看見同一個新粒子的足跡，統計顯著性達到粒子物理約定的 5 個標準差，宣告發現希格斯玻色子。

偵測不是直接看到希格斯，而是看它的衰變產物。例如兩個高能光子 gamma gamma，或四個輕子 4l 由 Z Z 星號衰變而來。這些乾淨的信號在雜訊之中像是維港夜空裡突然對準的兩束探照燈，尖銳而明確。

希格斯如何被製造，又如何衰變

• 主要產生機制
• 膠子融合 gluon-gluon fusion：經過頂夸克迴圈，產額最大。
• 向量玻色子融合 VBF：兩個夾著向前噴注的射流，拓撲特徵清晰。
• 伴隨產生 VH：與 W 或 Z 一起出現，方便用輕子信號觸發。
• 頂夸克伴隨 ttH：直接量度頂夸克與希格斯的尤卡瓦耦合。
• 常見衰變
• b 反 b：分支比最高，但背景多，需要高明的 b 標記與機器學習分辨。
• W W 星號、Z Z 星號：可見到兩輕子或四輕子的乾淨譜峰，所謂黃金管道。
• 雙光子 gamma gamma：雖然稀有，但能量解析度高。
• tau 反 tau：測試第三代輕子的耦合。

這些觀察一致地告訴我們：希格斯與不同粒子的耦合，確實大致按質量比例運作，與標準模型符合。

從數據讀懂希格斯：耦合、寬度與自耦合

科學家以信號強度 mu 來衡量實驗觀察和理論預測的比值。目前在多個衰變道與產生模式上，mu 接近 1，代表與標準模型相容。希格斯總寬度非常小，直接量度困難，實驗會用間接方法估算，例如比較在不同能量標尺下的耦合。

另一個前沿是希格斯自耦合，即希格斯與自己互動的強度。這可從雙希格斯產生 hh 的截面推斷。雙希格斯事件極罕有，像在凌晨最後一班地鐵上找朋友般難，但高亮度升級的 HL-LHC 正努力收集更多數據，逐步把不確定度壓低到足以檢驗標準模型的量級。

超導與超聲：跨學科的圖像幫你理解

若你學過固態物理，應會覺得這一切似曾相識。超導體裡的安德森機制 Anderson mechanism 解釋了為何電磁場在材料內部看起來獲得了有效質量，導致磁場被排斥 Meissner effect。這與規範玻色子從希格斯場獲質量在數學上是同一曲折的故事，只是舞台一個在凝聚態材料，一個在宇宙真空。兩者的對映，顯示了物理學在不同尺度下的驚人統一。

常見誤解澄清

• 希格斯場不是摩擦力。摩擦會耗能，希格斯場讓粒子帶質量，但不耗散能量，兩者概念不同。
• 希格斯不是引力。引力由時空幾何描述，與能量動量張量耦合；希格斯只處理粒子質量的來源，不負責把物體拉在一起。
• 不是所有質量都來自希格斯。核子的大部分質量來自強作用場的能量。
• 希格斯不是暗物質 dark matter。雖然有理論提出希格斯可作為暗部門的入口 Higgs portal，但目前沒有直接證據。
• 宇宙真空不是空無一物。量子場在真空仍然起伏，希格斯場更是有非零背景值。

自然性與階層問題：為何 125 GeV 令人抓頭

從量子修正來看，希格斯質量對高能物理非常敏感，理論上會被推高到遠比 125 GeV 大很多。要把它精準調到今天觀測值，需要微妙的抵銷，這就是自然性 naturalness 或階層問題 hierarchy problem。為解決它，物理學家提出各種新物理：超對稱 supersymmetry、複合希格斯 composite Higgs、額外維度 extra dimensions 等。LHC 目前未見明顯新粒子，令這些構想面臨更嚴格的檢驗，但也促使我們思考是否有更巧妙的機制，或自然性是否需要被重新理解。

宇宙真空是否穩定

在已知的希格斯質量與頂夸克質量下，標準模型推算的真空可能只是亞穩定 metastable：在極高能尺度，勢能形狀或許允許另一個更低谷。不過從宇宙年齡和量子穿隧率估算，這種轉變在遙遠未來才會有意義，對我們現今的宇宙完全安全。這類研究連繫了微觀粒子參數與宇宙宏觀命運，讓人感嘆「一沙一世界」的深意。

把抽象變具體：幾個貼地的圖像

• 地鐵月台的人潮：人越多，你越難穿過，等效質量越大。粒子與希格斯場的耦合越強，質量越大。
• 冰與水的相變：水結冰時出現秩序，旋轉對稱被打破。自發對稱破缺像是宇宙在冷卻中選了某個狀態，讓力與粒子的性質分化。
• 超導體的磁場排斥：在材料內，光子好像有了質量。電弱理論中，W 和 Z 真的得到質量，物理機制相通。

數據如何「看見」看不見的東西

在實驗室裡，我們不會直接捕捉希格斯粒子，就像攝影師不直接拍到風，而是看樹葉如何搖。ATLAS 與 CMS 有好幾層偵測器：內層追蹤帶電粒子，熱量量測卡尺量能，外層μ子系統抓重粒子，所有資訊再由觸發系統迅速挑選有趣事件。分析會用到機器學習，從成千上億次碰撞中，把可能來自希格斯的事件抽絲剝繭。當我們把重建的兩光子或四輕子不變質量畫成圖，125 GeV 附近多出的尖峰，就是那片看不見的海向我們掀起的一朵波。

對日常生活的影響：不只是科學家的浪漫

你或許會問：找一粒壽命短到幾乎不存在的粒子，有何用處？首先，基礎研究常常間接改變世界。為了處理 LHC 數據，科學家推動了高速計算、分散式網絡、超導磁體、真空工程等技術，這些技術最後會滲入醫療影像、加速器治療、材料研發與資訊科技。另一方面，希格斯是標準模型的最後一塊拼圖，有了它，整個理論由優雅變得完備，這種對自然的深刻理解，本身就是人類文明的基石。

下一步去哪裡：更亮的對撞、更準的測量

• 高亮度 LHC HL-LHC：收集更多數據，精確測量希格斯耦合，首次逼近自耦合的直接測試。
• 未來電子正電子對撞機 e+e−：如圓周型或直線型設計，提供乾淨環境當希格斯工廠，精準到百分之級，能發現微小偏離。
• 強耦合到暗部門的尋找：透過罕見衰變、不可見衰變，測試希格斯是否是通往未知的門戶。

結語：在看不見的海裡，找到我們存在的重量

希格斯玻色子向我們宣告：真空不是空無一物，而是充滿結構；質量不是上帝的任性安排，而是自然對稱在低溫下的一種選擇。從電弱理論的數學對稱，到 LHC 偵測器裡的閃光軌跡，再到你手上瓷杯的重量，這條線索環環相扣。對生活在香港的人來說，或許最動人的不是公式，而是那種在紛擾中發現秩序的感覺：像在繁忙街角，忽然意識到每個步伐都有節拍。希格斯讓我們知道，宇宙也有它的節拍，深藏不露，卻無處不在。