迷你世界Laplace 能源、航天与探测 / 图版 F28 — 尖端探测

ATLAS 与希格斯玻色子

27 公里的环里，两束质子迎头相撞。碰撞的能量变成新的粒子，大多一出生就衰变。ATLAS 记下这些碎片，从中找到了希格斯玻色子。

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章节 · 13
  1. 01质量量到万分之九
  2. 0227 公里的环
  3. 03能量变成质量
  4. 04每秒四千万次
  5. 05剖开：七千吨
  6. 06两特斯拉里的径迹
  7. 07量能器：让粒子停下
  8. 08空心的磁体
  9. 09谁停在哪一层
  10. 102012 年 7 月 4 日
  11. 112013 年诺贝尔物理学奖
  12. 12拆开来看
  13. 13逐个事件

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01

质量量到万分之九

2023 年，ATLAS 合作组用两轮运行的数据，把希格斯玻色子的质量定为 125.11 ± 0.11 GeV，误差只有万分之九。GeV 是粒子物理里常用的质量单位，一个质子约 0.94 GeV。

这个粒子从来没有被直接看见。按标准模型的预言，它只存在约 1.6 × 10⁻²² 秒，光在这段时间里走不到 50 飞米。探测器记下的是它衰变出来的东西，比如两个光子，或者四个轻子，再从它们的能量和方向，把它的质量算回来。

125.11 ± 0.11 GeV（ATLAS，2023）· 寿命约 1.6 × 10⁻²² 秒（标准模型）

02

27 公里的环

大型强子对撞机（LHC）在日内瓦附近的地下，周长 26 659 米。两束质子在两根并排的束流管里反向飞行，每秒绕 11 245 圈。

让质子拐弯的是 1232 块超导二极磁铁，每块 15 米长，设计磁场 8.33 特斯拉。它们泡在超流氦里，冷到 1.9 开，比宇宙背景的 2.7 开还冷。2022 年 7 月 5 日起，每束质子 6.8 TeV，迎头碰撞的能量是 13.6 TeV。超导线圈另见图版“托卡马克”。

周长 26 659 米 · 1232 块二极磁铁 · 1.9 开 · 每束 6.8 TeV

03

能量变成质量

质子由夸克和胶子组成。两个质子相撞，真正碰上的是其中的两个，只带着质子能量的一部分。碰撞的能量可以变成原来没有的粒子，按 E = mc²，能量越大，能造出的粒子越重。

重粒子大多立刻衰变。能飞到探测器里的，只有电子、光子、μ 子、成群的强子，以及中微子。把衰变产物的能量和动量加起来，算出“不变质量”，不管母粒子飞得多快，得到的都是母粒子的质量。

m²c⁴ = (ΣE)² − |Σp c|²：衰变产物的不变质量就是母粒子的质量

04

每秒四千万次

质子成串飞行，串与串相隔 25 纳秒，约 7.5 米。在 ATLAS 中心，束团每秒交叉四千万次；2022 年起的第三轮运行，每次交叉平均最多约 60 对质子相撞。

这些数据不可能全部存下。第一级触发器是硬件，在 2.5 微秒内决定留不留，最多留下每秒 10 万次；第二级是一个计算机集群，第三轮运行时平均每秒写下约 3000 次，2012 年约 400 次。其余的碰撞就此丢掉。按 CERN 的说法，大约十亿次碰撞才产生一个希格斯玻色子。

4000 万次 / 秒 → 10 万次 / 秒（2.5 微秒内）→ 约 3000 次 / 秒写入（第三轮运行）

05

剖开：七千吨

ATLAS 是一个躺倒的圆柱，按 ATLAS 的公开资料长 46 米、直径 25 米，重约 7000 吨，放在地下约 100 米的洞室里。这里的模型约为 1:40，站在地上的小人是 1.75 米高。

从中心往外，一层套一层：束流管外面是内探测器，套在一个超导螺线管里；再外面是液氩电磁量能器、钢和闪烁瓦做的强子量能器；最外面是八个环形线圈，和挂在它们之间的 μ 子室。约 3000 公里电缆，把约一亿个读出通道连到外面。

46 × 25 米 · 7000 吨 · 模型约 1:40 · 支脚、撑杆和 μ 子室的布置为示意

06

两特斯拉里的径迹

内探测器在半径 1.15 米、长 7 米的圆柱里。最里层是硅像素，离束流只有约 3.3 厘米，像素 50 × 250 微米；外面是硅微条，再外面是约 30 万根 4 毫米粗的漂移管。带电粒子穿过时，在每一层留下一个点。

螺线管产生 2 特斯拉的磁场，带电粒子的路径因此弯成圆弧。半径等于横动量除以 0.3 倍磁场：1 GeV 的粒子弯成半径约 1.7 米的弧，50 GeV 的几乎是直线。量出弯了多少，就知道动量。

曲率半径 R = p_T / (0.3 B)：B = 2 特斯拉时，1 GeV 对应约 1.7 米

07

量能器：让粒子停下

电子和光子撞进铅板，变成一阵越来越多、越来越弱的电子和光子，叫电磁簇射。ATLAS 的电磁量能器是折成手风琴形状的铅板，泡在约零下 184 摄氏度的液氩里，至少 22 个辐射长度厚，簇射在这里停下。收集到的电荷与粒子的能量成正比。

质子、中子、π 介子这些强子走得更远。外面的瓦片量能器用钢板做吸收体，中间夹着几十万块塑料闪烁瓦，每个桶由 64 个楔块拼成。强子在这里簇射，闪烁瓦发光，约 9500 个光电倍增管把光变成电信号。它重约 2900 吨，是 ATLAS 最重的部分。

电磁：铅 + 液氩，手风琴形 · 强子：钢 + 闪烁瓦，64 个楔块

08

空心的磁体

μ 子几乎什么都挡不住，会穿出量能器。最外层的 μ 子谱仪负责测它们。八个桶部环形线圈各长 25.3 米，合起来外径 20.1 米；通上 20.5 千安的电流，共储存 1.08 吉焦的能量。两端各有一个端盖环形磁体。

这些线圈之间是空气，没有铁，μ 子穿过时散射很少。磁场沿着圆周方向，让 μ 子沿束流方向弯。三层 μ 子室，半径约 5、7.5、10 米，用 3 厘米粗的漂移管量出它弯了多少；两端的大轮直径约 25 米。

桶部环形磁体：8 个线圈 · 25.3 米 · 外径 20.1 米 · μ 子区约 0.5 特斯拉

09

谁停在哪一层

每种粒子留下的痕迹不一样。电子留下径迹，在电磁量能器里停下；光子不带电，没有径迹，同样停在电磁量能器；夸克和胶子变成一束强子，叫喷注，几条径迹，能量大多留在瓦片量能器；μ 子留下径迹，穿过所有量能器，在 μ 子室里再留下几个点。

中微子什么也不留下。在垂直于束流的平面里，碰撞前的总动量是零，所以碰撞后看到的动量加起来也应是零。缺了的那一部分，叫丢失横动量，就是看不见的粒子带走的。

电子 · 光子 · μ 子 · 喷注 · 中微子，各自停在哪一层

10

2012 年 7 月 4 日

这一天，ATLAS 和 CMS 在 CERN 的研讨会上分别报告：在约 125 GeV 处看到一个新粒子。ATLAS 用 2011 年 7 TeV 的 4.8 fb⁻¹ 和 2012 年 8 TeV 的 5.8 fb⁻¹ 数据，给出质量 126.0 GeV，局部显著性 5.9 σ；CMS 给出 125.3 GeV、5.0 σ。

信号主要来自两种衰变。双光子：ATLAS 在 100 到 160 GeV 间选出 59 039 个光子对，预计其中约 190 个来自希格斯玻色子，它们在 126.5 GeV 附近堆出一个小鼓包。四轻子：120 到 130 GeV 间看到 13 个事件，本底预计约 4.9 个。5.9 σ 的意思是，单靠本底涨落出这么大鼓包的概率约为 1.7 × 10⁻⁹。

ATLAS 5.9 σ（γγ 4.5 σ · 4ℓ 3.6 σ · WW 2.8 σ）· CMS 5.0 σ

11

2013 年诺贝尔物理学奖

2013 年诺贝尔物理学奖授予 François Englert 和 Peter W. Higgs，表彰他们“在理论上发现了一种机制，有助于我们理解亚原子粒子质量的来源；它最近由 CERN 大型强子对撞机上的 ATLAS 和 CMS 实验发现所预言的基本粒子而得到证实”。1964 年，Englert 和已故的 Robert Brout、Higgs 各自独立提出了这一理论。

获奖的是机制，实验证实的是粒子。希格斯场给 W、Z 玻色子以及电子、夸克这些基本粒子以质量，但不是一切质量的来源。质子里三个夸克的质量加起来，只占质子质量的约百分之一，其余几乎都是把夸克和胶子束缚在一起的强相互作用的能量。理论也没有预言希格斯玻色子自己有多重。

1964 理论 · 2008 LHC 启动 · 2010 7 TeV 对撞 · 2012 发现 · 2013 诺贝尔奖

12

拆开来看

束流管、内探测器、螺线管、液氩量能器、瓦片量能器、八个桶部线圈、μ 子室、端盖量能器、端盖环形磁体、μ 子大轮和屏蔽，一件件分开。

指针停在哪件上，它就被单独托出来，其余的变淡；不动时，各件都标出名字。

13

逐个事件

拉杆决定数据来得多快。每来一个事件，它的不变质量就落进一个格子：上面是两个光子的质量，下面是四个轻子的。事件本身不标明是本底还是信号，页面也不知道。

每过一会儿，页面对两张图一起做一次拟合：本底用一条平滑的曲线，信号是 125.1 GeV 处的一个窄峰，再比较“有峰”和“没有峰”哪个更合数据，得出局部显著性。这是一个模拟，按 2012 年论文公布的事件数和本底形状生成；它只用两个通道、不分类别，比 ATLAS 的分析粗，所以到 10.6 fb⁻¹ 时常常还不到 5 σ。

试一试把拉杆推到最快，看数据量到 10.6 fb⁻¹（2012 年发现时的数据量）时，局部显著性到了几个 σ？再重来一次，数字一样吗？

模型省略了什么

模型按 ATLAS 探测器论文（2008）的尺寸做，约 1:40：内探测器、螺线管、液氩和瓦片量能器、桶部和端盖环形磁体、三层 μ 子室和端部大轮都在对的位置；支脚、线圈之间的撑杆、服务塔、μ 子室和大轮扇区的具体布置是示意的，不是工程图纸。贴在八个线圈上的那几排中层和外层 μ 子室没有画；在沿束流剖开的远景里，其余的中层和外层 μ 子室也拿掉了，端部的大轮保持整圆，好让八个线圈和它们的撑杆看得清。长度用 ATLAS 公开资料的 46 米；合作组的探测器论文写的是 44 米。第三轮运行换上的新小轮没有单独画。束流里的束团画得比实际粗得多，相隔 7.5 米是按比例的。剖面上的手风琴、瓦片、漂移管是按真实间距画的图案，太细时淡成平均颜色。事件显示是页面生成的：径迹只在螺线管里弯，之外画成直线；簇射画成量能器里的块，长短表示能量；μ 子在环形磁场里沿束流方向的弯曲只画在“空心的磁体”一章的小图里，并放大了 30 倍。实验室的模拟：双光子本底按论文的候选事件数（10.6 fb⁻¹ 内 59 039 个）和一条平滑下降的谱生成，信号用论文预计的约 190 个事件乘以 ATLAS 在这个通道测得的信号强度 1.8，质量分辨率 1.6 GeV；四轻子本底在 120 到 130 GeV 内约 4.9 个，信号约 5.3 个乘以 1.2，91 GeV 处 Z 玻色子的单峰大小是示意的。拟合时本底曲线和生成用同一族函数（ATLAS 对这张图用的是四阶伯恩斯坦多项式），质量固定在 125.1 GeV，显著性由似然比 q₀ 算出：Z = √q₀。

几个常见的误解

5 σ 不是说“有 99.99997% 的把握新粒子存在”，而是说：如果只有本底，涨落出这么大鼓包的概率约为三百五十万分之一。它是在一个质量点上算的“局部”显著性；考虑到在很宽的质量范围里都找过，ATLAS 2012 年给出的全局显著性是 5.1 σ。鼓包的宽度来自探测器的分辨率（约 1.6 GeV），粒子本身的宽度只有约 4 MeV，窄得多。希格斯玻色子不是“上帝粒子”，也不给所有东西质量：你体重的绝大部分来自质子和中子，而它们的质量主要是强相互作用的能量。LHC 的碰撞是安全的：宇宙线以更高的能量撞击地球已经几十亿年，CERN 请专家组评估过，结论是没有危险。

常见问题 · 5
希格斯玻色子的质量是多少？

2023 年，ATLAS 合作组用两轮运行的数据，把希格斯玻色子的质量定为 125.11 ± 0.11 GeV，误差只有万分之九。

01质量量到万分之九
为什么看不见希格斯玻色子本身？

按标准模型的预言，它只存在约 1.6 × 10⁻²² 秒，光在这段时间里走不到 50 飞米。

01质量量到万分之九
探测器怎么知道看不见的中微子？

在垂直于束流的平面里，碰撞前的总动量是零，所以碰撞后看到的动量加起来也应是零。

09谁停在哪一层
希格斯玻色子发现时有多大的把握？

5.9 σ 的意思是，单靠本底涨落出这么大鼓包的概率约为 1.7 × 10⁻⁹。

102012 年 7 月 4 日
质子的质量是希格斯场给的吗？

质子里三个夸克的质量加起来，只占质子质量的约百分之一，其余几乎都是把夸克和胶子束缚在一起的强相互作用的能量。

112013 年诺贝尔物理学奖

资料来源

  1. ATLAS 合作组 (2012)：Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC，Phys. Lett. B 716, 1（4.8 + 5.8 fb⁻¹；126.0 ± 0.4 ± 0.4 GeV；5.9 σ，p₀ = 1.7 × 10⁻⁹；γγ 4.5 σ、4ℓ 3.6 σ、WW 2.8 σ；23 788 + 35 251 个光子对，预计信号 79.6 + 110.5；σ_CB 1.6 GeV；4ℓ 窗口 13 个事件；全局 5.1 σ）
  2. CMS 合作组 (2012)：Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC，Phys. Lett. B 716, 30（125.3 ± 0.4 ± 0.5 GeV，5.0 σ）
  3. ATLAS 合作组 (2008)：The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider，JINST 3, S08003（各子探测器的尺寸、磁体参数、性能目标）
  4. ATLAS 合作组 (2024)：The ATLAS experiment at the CERN Large Hadron Collider: a description of the detector configuration for LHC Run 3，JINST 19, P05063（IBL 33.4 毫米；第三轮运行每次交叉最多约 60 次碰撞；约 3 kHz 写入）
  5. L. Evans, P. Bryant (2008)：LHC Machine，JINST 3, S08001（二极磁铁 8.33 特斯拉、两孔距 194 毫米；隧道在地下 45 到 170 米）
  6. ATLAS 合作组 (2023)：Combined measurement of the Higgs boson mass，Phys. Rev. Lett. 131, 251802（125.11 ± 0.11 GeV，精度 0.09%）
  7. ATLAS 合作组 (2017)：Performance of the ATLAS trigger system in 2015，Eur. Phys. J. C 77, 317（第一级 100 kHz；2012 年约 400 Hz 写入）
  8. ATLAS 合作组 (2024)：The ATLAS trigger system for LHC Run 3 and trigger performance in 2022，JINST 19, P06029（2.5 微秒内决定；约 3 kHz）
  9. CERN：The Large Hadron Collider（周长 26 659 米，每秒 11 245 圈，6.8 / 13.6 TeV，束团相隔 25 纳秒，安全性）
  10. CERN：Pulling together: superconducting electromagnets（1232 块二极磁铁，每块 15 米）
  11. CERN：Cryogenics: low temperatures, high performance（1.9 开，超流氦）
  12. CERN：How did we discover the Higgs boson?（约十亿次碰撞产生一个希格斯玻色子）
  13. CERN 新闻稿，2012 年 7 月 4 日
  14. CERN：第三轮运行开始，2022 年 7 月 5 日
  15. ATLAS：The ATLAS detector（46 × 25 米，7000 吨，地下 100 米）
  16. ATLAS：Magnet System（螺线管、桶部和端盖环形磁体）
  17. ATLAS：Calorimeter（液氩 −184 °C；约 42 万块闪烁瓦、9500 个光电倍增管；约 2900 吨）
  18. ATLAS：Trigger and Data Acquisition（最多每秒 17 亿次碰撞）
  19. 诺贝尔奖：2013 年物理学奖新闻稿（Englert、Higgs）
  20. 诺贝尔物理学委员会：2013 年物理学奖科学背景
  21. F. Englert, R. Brout (1964)：Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons，PRL 13, 321
  22. P. W. Higgs (1964)：Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons，PRL 13, 508
  23. Particle Data Group (2025)：Status of Higgs Boson Physics（标准模型宽度 4.1 MeV；分支比）
  24. Particle Data Group (2025)：夸克质量表（u 约 2.16 MeV，d 约 4.70 MeV）
  25. Y.-B. Yang 等 (2018)：Proton Mass Decomposition from the QCD Energy Momentum Tensor，PRL 121, 212001
  26. J. Ellis 等 (2008)：Review of the Safety of LHC Collisions（LHC 安全评估组）

数据

The model follows the ATLAS detector paper (JINST 3 S08003) for the sizes and places of the inner detector, the solenoid, the calorimeters, the toroids and the muon stations; the feet, the struts between the coils, the turrets, the chambers’ layout and the wheels’ sectors are schematic. It is not built from engineering drawings. The histograms in the laboratory, the events in the detector and the significance are computed by this page from a simulation shaped after the published numbers (ATLAS, Phys. Lett. B 716 (2012) 1); they are not ATLAS data. Material presets, parts and the softbox studio of the site’s model kit are ported from AirsupHQ/machine-skill (MIT, © 2026 Air Supply Technologies Inc.).

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引用这幅图版

拉普拉斯的迷你世界，图版 F28《ATLAS 与希格斯玻色子》，https://world.lapla.si/zh/lhc/，CC BY-NC 4.0，2026-10-21 更新。

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