·希格斯玻色子發(fā)現(xiàn)于2012年，是粒子物理學(xué)研究中的一件劃時(shí)代的大事。它在粒子物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”中起關(guān)鍵性作用，通過(guò)神秘的對(duì)稱(chēng)性破缺機(jī)制給基本粒子帶來(lái)質(zhì)量，和高深莫測(cè)的量子真空息息相關(guān)，也被認(rèn)為在宇宙演化的極早期起重要作用。在希格斯玻色子發(fā)現(xiàn)十周年之際，文章將從科普視角出發(fā)，描繪希格斯玻色子的理論背景、粒子特性、實(shí)驗(yàn)探測(cè)、研究現(xiàn)狀和展望，揭開(kāi)希格斯玻色子的神秘面紗，理解它的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)。

1、引言

粒子物理學(xué)研究物質(zhì)世界的最基本組成成分及其相互作用規(guī)律，探索基本粒子間的微觀“小宇宙”，追求對(duì)一系列根本問(wèn)題的理解：物質(zhì)到底有沒(méi)有究極的不可再分的最小單元？基本粒子之間的相互作用有哪些？產(chǎn)生相互作用的根本原因是什么？什么是時(shí)間空間的本性？

從古希臘時(shí)期的原子論，到現(xiàn)代的量子力學(xué)，直至基于量子場(chǎng)論的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，人類(lèi)從哲學(xué)到科學(xué)，結(jié)合理論與大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，逐步建立起了一套對(duì)微觀粒子世界的成熟描述。標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一個(gè)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的基本粒子是希格斯玻色子。它在媒體中常被戲稱(chēng)為“上帝粒子”，其對(duì)應(yīng)的希格斯場(chǎng)被認(rèn)為是基本粒子的質(zhì)量來(lái)源，有舉足輕重的地位。粒子物理學(xué)中還有諸多重大科學(xué)問(wèn)題有待探究，如暗物質(zhì)本性、宇宙正反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)、中微子質(zhì)量等等。

希格斯玻色子于2012年被發(fā)現(xiàn)[1，2]，直接促成提出該粒子假設(shè)[3—5]的理論學(xué)家中的彼得·希格斯與弗朗索瓦·恩格勒獲得2013年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。對(duì)希格斯粒子的研究是粒子物理學(xué)中的一個(gè)重要方向，從此由搜尋模式進(jìn)入了測(cè)量模式?？茖W(xué)家希望通過(guò)更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)審視這一埋藏于微觀世界深處的新事物，期待發(fā)現(xiàn)它與新物理的聯(lián)系。

2022年正值希格斯玻色子發(fā)現(xiàn)十周年，本文將從如下幾個(gè)方面展開(kāi)：理論背景、希格斯玻色子的特性、希格斯粒子的實(shí)驗(yàn)探測(cè)，以及希格斯物理研究的現(xiàn)狀和展望。

2、理論背景

2012年7月4日，在同行們的掌聲和歡呼聲中，時(shí)任歐洲核子研究中心主任的物理學(xué)家Rolf Heuer正式宣布：經(jīng)過(guò)數(shù)十年的探索，數(shù)千名科學(xué)家在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)上發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。希格斯玻色子是物理學(xué)家在理解粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型過(guò)程中的最后一塊拼圖，有了希格斯玻色子，粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型也就完整了。

粒子物理學(xué)認(rèn)為觀測(cè)到的所有物質(zhì)是由基本粒子組成的。標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為世界上有三種帶電輕子：電子、繆子和陶輕子，它們參與電磁和弱相互作用。世界上有三種不帶電的中微子，它們只參與弱相互作用。原子核中的質(zhì)子和中子不是基本粒子，它們是由夸克組成的?？淇耸腔玖Ｗ?，它們不能進(jìn)一步分割。標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為世界上有六種夸克(上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克)，它們參與電磁、弱以及強(qiáng)相互作用。量子場(chǎng)論認(rèn)為物質(zhì)的相互作用是通過(guò)媒介玻色子傳遞的：電磁相互作用通過(guò)光子傳遞。我們知道根據(jù)量子力學(xué)波粒二象性，電磁波兼有粒子的屬性，其對(duì)應(yīng)的粒子就是光子。弱相互作用，例如核子的β衰變，是由W、Z玻色子傳遞的。強(qiáng)相互作用是通過(guò)膠子傳遞的。隨著1995年美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了頂夸克，以上這些基本粒子都已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。

在上述的相互作用中，弱相互作用為何如此之“弱”，是粒子物理發(fā)展史上的一個(gè)重要問(wèn)題。例如，作為一種不穩(wěn)定粒子，繆子的壽命相對(duì)非常長(zhǎng)，究其原因是繆子的衰變來(lái)自于弱相互作用，該作用強(qiáng)度低，所以衰變不易發(fā)生。最早對(duì)弱相互作用的理論詮釋是費(fèi)米的“四費(fèi)米子”理論，這個(gè)理論可以解釋低能區(qū)域中β衰變現(xiàn)象，但該理論在高能區(qū)域變得不自洽。而且這個(gè)理論形式上和費(fèi)曼、施溫格以及朝永振一郎的量子電動(dòng)力學(xué)截然不同，讓理論物理學(xué)家不禁質(zhì)疑，是否還有一個(gè)更統(tǒng)一的理論來(lái)描述基本相互作用。

量子電動(dòng)力學(xué)描述電磁相互作用，在這個(gè)理論中量子化的光子場(chǎng)傳遞相互作用。電磁勢(shì)的規(guī)范變換，賦予了這個(gè)理論所謂的U(1)規(guī)范對(duì)稱(chēng)性。數(shù)學(xué)上看，U(1)對(duì)稱(chēng)性相當(dāng)于單位圓上的復(fù)數(shù)乘法。規(guī)范對(duì)稱(chēng)性的深刻想法被用于研究其他基本相互作用。蓋爾曼提出了新的基本粒子——夸克，它們是核子的組成部分。蓋爾曼認(rèn)為，如果夸克存在一個(gè)新的物理自由度，即三種“顏色”，那么夸克模型可以用來(lái)描述核子譜。夸克參與強(qiáng)相互作用，在蓋爾曼的理論中，強(qiáng)相互作用是通過(guò)膠子傳遞的。楊—米爾斯理論，即非阿貝爾規(guī)范理論，被用來(lái)描述強(qiáng)相互作用，并發(fā)展為量子色動(dòng)力學(xué)。三種顏色對(duì)應(yīng)著數(shù)學(xué)上的SU(3)規(guī)范對(duì)稱(chēng)性。

“四費(fèi)米子”理論與量子電動(dòng)力學(xué)以及量子色動(dòng)力學(xué)都不同，這個(gè)理論中沒(méi)有傳播相互作用的媒介粒子，也沒(méi)有規(guī)范對(duì)稱(chēng)性。量子電動(dòng)力學(xué)及色動(dòng)力學(xué)的耦合常數(shù)都是無(wú)量綱的，但“四費(fèi)米子”理論的耦合常數(shù)是能量的負(fù)冪次。這意味著這個(gè)理論是不可重正化的，在高能區(qū)域會(huì)不自洽，需要被某個(gè)更普適的理論代替。一種嘗試是用楊—米爾斯理論描述弱相互作用，引入新的規(guī)范玻色子，來(lái)描述弱相互作用。然而，弱相互作用是一種很弱的短程力，傳遞弱相互作用的規(guī)范玻色子必須是有質(zhì)量的，這一點(diǎn)和量子電動(dòng)力學(xué)及色動(dòng)力學(xué)都不同。量子電動(dòng)力學(xué)的傳播子是無(wú)質(zhì)量的光子，量子色動(dòng)力學(xué)的傳播子是無(wú)質(zhì)量的膠子。在楊—米爾斯理論中直接加入規(guī)范玻色子質(zhì)量，難以得到一個(gè)自洽的規(guī)范理論。

要在楊—米爾斯理論的框架下構(gòu)建弱相互作用模型，全新的物理想法是必不可少的。這里成功的想法是自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺與希格斯機(jī)制。格拉肖、溫伯格、薩拉姆分別提出了電弱統(tǒng)一想法，將電磁相互作用與弱相互作用統(tǒng)一在楊—米爾斯理論框架之中。直接打破這種統(tǒng)一性，引入規(guī)范玻色子質(zhì)量，如前所述，在理論上是非常困難的。此處，自洽的建模方式是，引入自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺。也就是說(shuō)，在統(tǒng)一的楊—米爾斯理論中，相互作用并不直接打破規(guī)范對(duì)稱(chēng)性，但量子場(chǎng)的基態(tài)打破了規(guī)范對(duì)稱(chēng)性。

在我們的宏觀世界中，自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺其實(shí)并不罕見(jiàn)。室溫下磁鐵的基態(tài)有自發(fā)磁化，一根條形磁鐵一端N極，一端S極，兩端的極性破壞了條形磁鐵的對(duì)稱(chēng)性。注意電磁相互作用本身不破壞對(duì)稱(chēng)性，但條形磁鐵的基態(tài)有兩個(gè)，體系選擇其中一個(gè)基態(tài)，自發(fā)地破壞了對(duì)稱(chēng)性。在量子場(chǎng)論中，類(lèi)似于磁鐵的模型，一個(gè)所謂的標(biāo)量場(chǎng)可能也有多個(gè)基態(tài)，那么物理體系的基態(tài)選擇自發(fā)地破壞了對(duì)稱(chēng)性。這里將要引入的標(biāo)量場(chǎng)，就是大名鼎鼎的希格斯場(chǎng)(圖1)[6]。

圖1 希格斯復(fù)標(biāo)量場(chǎng)的勢(shì)能形式[6]

一般而言，場(chǎng)論中自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺，由于所謂的戈德斯通機(jī)制，會(huì)產(chǎn)生無(wú)質(zhì)量的標(biāo)量粒子。如此構(gòu)造粒子物理模型，雖然把電磁相互作用、弱相互作用都引入到了楊—米爾斯理論的框架，但無(wú)質(zhì)量的標(biāo)量粒子從來(lái)沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)過(guò)，這依然是理論上的疑難。希格斯機(jī)制最終解決了這個(gè)疑難：本來(lái)無(wú)質(zhì)量的規(guī)范玻色子吸收“吃掉”了自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺產(chǎn)生的無(wú)質(zhì)量的標(biāo)量粒子。這樣消除了無(wú)質(zhì)量標(biāo)量粒子，同時(shí)又賦予了弱相互作用規(guī)范玻色子質(zhì)量，說(shuō)明了弱相互作用是一種弱的短程力。從理論基礎(chǔ)上看，希格斯機(jī)制是電弱相互作用統(tǒng)一的關(guān)鍵一步。

在具體的模型構(gòu)建中，如何選擇正確的對(duì)稱(chēng)性和破缺方式，對(duì)于預(yù)測(cè)新粒子的種類(lèi)與相互作用是非常重要的。溫伯格和薩拉姆選擇了SU(2)×U(1)對(duì)稱(chēng)群以及一對(duì)復(fù)希格斯場(chǎng)。這對(duì)復(fù)希格斯粒子場(chǎng)的基態(tài)，會(huì)破壞SU(2)×U(1)對(duì)稱(chēng)性，殘存的U(1)對(duì)稱(chēng)性對(duì)應(yīng)著電磁相互作用。被破缺的3個(gè)對(duì)稱(chēng)性，由于希格斯機(jī)制，導(dǎo)致產(chǎn)生了三個(gè)有質(zhì)量的規(guī)范玻色子，分別是W+、W-和Z玻色子。這三個(gè)粒子傳遞短程的弱相互作用。一對(duì)復(fù)希格斯場(chǎng)中的三個(gè)物理自由度被W和Z吃掉，剩下的唯一 一個(gè)物理自由度對(duì)應(yīng)的量子場(chǎng)論激發(fā)態(tài)，也就是所謂的“上帝粒子”——希格斯粒子。

希格斯場(chǎng)還和物質(zhì)費(fèi)米子場(chǎng)(如電子、繆子、陶輕子和夸克等)通過(guò)湯川機(jī)制耦合。在希格斯機(jī)制中，希格斯場(chǎng)的基態(tài)等效地變?yōu)榱诉@些物質(zhì)粒子的質(zhì)量參數(shù)。通俗地說(shuō)，希格斯場(chǎng)給予了基本粒子質(zhì)量。溫伯格與薩拉姆的電弱統(tǒng)一與自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺模型，加上描述強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)，構(gòu)成了粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。

漸漸地，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家探測(cè)和發(fā)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)模型中除了希格斯粒子外的所有基本粒子。幾十年來(lái)，只有希格斯玻色子躲過(guò)了所有探測(cè)它的嘗試——直到2012年7月4日，日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心正式宣布希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖完整了。這是自然界中第一種自旋為零的基本粒子。

標(biāo)準(zhǔn)模型被認(rèn)為是完整的，但還有很多問(wèn)題都遠(yuǎn)未得到解答。

3、希格斯粒子的特性

作為一個(gè)基本粒子，希格斯粒子也有其獨(dú)特的量子參數(shù)。作為自然界基本粒子中唯一的標(biāo)量玻色子，按照標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言，其自旋為0、宇稱(chēng)為正。標(biāo)準(zhǔn)模型的希格斯機(jī)制不僅賦予了W、Z規(guī)范玻色子的質(zhì)量，也決定了其與標(biāo)準(zhǔn)模型中其他基本粒子的相互作用。希格斯粒子作為一個(gè)玻色子是相當(dāng)活躍的，可以與費(fèi)米子以及其他規(guī)范玻色子產(chǎn)生相互作用。具體來(lái)說(shuō)，希格斯粒子與費(fèi)米子相互作用的耦合強(qiáng)度與費(fèi)米子的質(zhì)量成正比，因而在標(biāo)準(zhǔn)模型里希格斯粒子與質(zhì)量最大的頂夸克的相互作用最強(qiáng)，與電子的相互作用耦合強(qiáng)度最弱。而在標(biāo)準(zhǔn)模型里中微子沒(méi)有質(zhì)量，因而希格斯粒子不與中微子產(chǎn)生相互作用。希格斯粒子與費(fèi)米子的相互作用也被稱(chēng)為湯川耦合，也正是從這一相互作用中，費(fèi)米子獲得了質(zhì)量。希格斯粒子與有質(zhì)量的W、Z玻色子之間存在規(guī)范相互作用，而與無(wú)質(zhì)量的光子和膠子沒(méi)有相互作用。此外，希格斯粒子與自身也會(huì)產(chǎn)生相互作用，包括三希格斯粒子和四希格斯粒子耦合，被稱(chēng)為希格斯粒子的自相互作用。

值得一提的是，希格斯粒子幾乎所有的物理特性均由理論預(yù)言，唯獨(dú)其質(zhì)量是一個(gè)自由參數(shù)，需要由實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量。而正因?yàn)橄８袼沽Ｗ淤|(zhì)量的不確定性，實(shí)驗(yàn)學(xué)家們花費(fèi)了巨大的時(shí)間和精力來(lái)尋找這一粒子，因?yàn)樗麄冃枰翊蠛漆樢粯釉谖粗馁|(zhì)量區(qū)間去尋找可能的希格斯粒子信號(hào)。希格斯粒子的質(zhì)量雖然是一個(gè)自由參數(shù)，但它卻與希格斯粒子的自相互作用耦合常數(shù)存在關(guān)聯(lián)性，二者只要能確定其一，另一個(gè)參數(shù)也就確定了。與希格斯粒子質(zhì)量相關(guān)的另一個(gè)重要量子參數(shù)是其質(zhì)量寬度或衰變寬度。按照理論預(yù)言，一旦質(zhì)量確定了，其質(zhì)量寬度也隨之確定了，而質(zhì)量寬度決定了粒子的壽命。2012年發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子，其質(zhì)量大約是125 GeV，相當(dāng)于質(zhì)子質(zhì)量的130倍，是標(biāo)準(zhǔn)模型的基本粒子里質(zhì)量?jī)H次于頂夸克的第二重的粒子。

希格斯粒子的重要性不僅僅在于它背后的希格斯機(jī)制是基本粒子的質(zhì)量起源，而且在于它與超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理以及宇宙學(xué)等存在深刻的聯(lián)系。一個(gè)典型的例子是矢量玻色子之間的相互作用。按照標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言，矢量玻色子之間可以發(fā)生散射過(guò)程，其散射振幅包含了希格斯粒子與矢量玻色子之間的耦合。計(jì)算表明，如果沒(méi)有希格斯粒子參與，這個(gè)散射振幅與入射粒子對(duì)的質(zhì)心能量平方成正比。這意味著在沒(méi)有希格斯粒子的情況下，這個(gè)散射振幅在能量很高時(shí)會(huì)發(fā)散，也就意味著會(huì)有新的物理現(xiàn)象出現(xiàn)。雖然希格斯粒子的出現(xiàn)可以避免這一發(fā)散的發(fā)生，但這只是眾多可能性的一種，并沒(méi)有理由認(rèn)為沒(méi)有其他的超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理會(huì)參與這一矢量玻色子的散射過(guò)程。前面提到，希格斯粒子是弱相互作用自發(fā)對(duì)稱(chēng)破缺的重要參與者，這一相變過(guò)程發(fā)生在宇宙演化的極早期。而希格斯粒子的自相互作用決定了希格斯場(chǎng)的勢(shì)能，這一勢(shì)能函數(shù)也決定了電弱對(duì)稱(chēng)性破缺的相變過(guò)程，意味著希格斯粒子與宇宙演化有著深刻的聯(lián)系。

希格斯玻色子與其他粒子的相互作用為物理學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)上去尋找希格斯粒子指明了方向。根據(jù)它與其余粒子的相互作用，希格斯粒子可以在高能量對(duì)撞機(jī)中產(chǎn)生出來(lái)，比如LHC。LHC可以將質(zhì)子加速到極高的能量，質(zhì)子—質(zhì)子質(zhì)心系能量可以達(dá)到14 TeV。LHC上希格斯粒子的產(chǎn)生模式比較復(fù)雜，計(jì)算表明，其主要產(chǎn)生模式是膠子—膠子融合過(guò)程，產(chǎn)生截面的占比約80%，其他產(chǎn)生模式依次是玻色子融合、玻色子伴隨以及頂夸克對(duì)伴隨產(chǎn)生過(guò)程。事實(shí)上，LHC上希格斯粒子的總產(chǎn)生截面是可觀的，因此LHC實(shí)際是一個(gè)“希格斯玻色子工廠(chǎng)”。

雖然在LHC里能產(chǎn)生大量的希格斯玻色子，但希格斯粒子的壽命極其短暫以至于其產(chǎn)生瞬間就衰變了。就像自然界的放射性衰變現(xiàn)象一樣，一個(gè)粒子衰變后會(huì)得到其他的產(chǎn)物。由于希格斯粒子非常活躍，其衰變機(jī)理也相當(dāng)?shù)膹?fù)雜。物理學(xué)家們用衰變的概率，也就是衰變分支比，來(lái)衡量粒子發(fā)生某種特定衰變過(guò)程的難易程度。希格斯粒子的衰變分支比取決于幾個(gè)相應(yīng)的物理參數(shù)，例如希格斯粒子的質(zhì)量、衰變末態(tài)粒子的質(zhì)量，以及希格斯粒子與衰變末態(tài)粒子之間的耦合強(qiáng)度等。一旦希格斯粒子的質(zhì)量確定了，那么它在LHC上各種產(chǎn)生過(guò)程的截面和各個(gè)衰變末態(tài)的分支比就相應(yīng)地確定了(圖2)[7]。比如對(duì)于質(zhì)量為125 GeV的希格斯玻色子，它最主要的衰變末態(tài)是兩個(gè)底夸克，分支比約為56%，其次是衰變到兩個(gè)W玻色子(23%)，其他各個(gè)玻色子或費(fèi)米子末態(tài)的分支比大小不一。

圖2 質(zhì)子—質(zhì)子對(duì)撞機(jī)上希格斯玻色子的產(chǎn)生截面(a)和衰變分支比(b)[7]

事實(shí)上，在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到希格斯粒子的信號(hào)是極其復(fù)雜和具有挑戰(zhàn)性的一項(xiàng)任務(wù)。由于希格斯粒子具有不同的產(chǎn)生和衰變模式，二者可以任意組合，就意味著有很多的途徑去尋找希格斯粒子信號(hào)。產(chǎn)生的截面越高，衰變分支比越大，就代表著可以觀測(cè)到越多的希格斯粒子事例，反之就越少，如圖2所示。此外，希格斯粒子的衰變末態(tài)是需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)儀器來(lái)探測(cè)到的，不同末態(tài)粒子的探測(cè)方法和難易程度也相差很大。比如對(duì)于衰變分支比最大的頂夸克對(duì)要遠(yuǎn)比衰變分支比小得多的四輕子末態(tài)探測(cè)起來(lái)更加困難。讓尋找希格斯粒子的任務(wù)更加艱巨的是，LHC不僅是一個(gè)希格斯工廠(chǎng)，它還會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)量更大的其他物理過(guò)程，比如頂夸克產(chǎn)生過(guò)程、矢量玻色子產(chǎn)生過(guò)程等，并且實(shí)驗(yàn)儀器探測(cè)到的數(shù)據(jù)是這些不同的物理過(guò)程混雜在一起的。要從海量的數(shù)據(jù)里尋找出希格斯粒子的信號(hào)，用“大海撈針”來(lái)描述并非夸張。

4、實(shí)驗(yàn)探測(cè)

如前所述，希格斯粒子的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象十分稀有，需要從海量的噪聲中如“大海撈針”一般去尋找它，加之它的質(zhì)量無(wú)確定預(yù)言，這些因素給尋找工作帶來(lái)了極大的困難。事實(shí)上，從希格斯機(jī)制、希格斯粒子的提出(1964年)到它的發(fā)現(xiàn)(2012年)，歷時(shí)近半個(gè)世紀(jì)，這也從側(cè)面反映了實(shí)驗(yàn)探測(cè)的艱苦卓絕。

實(shí)驗(yàn)上，科學(xué)家利用粒子加速器將常見(jiàn)的易獲取的粒子(如電子、質(zhì)子)加速到很高能量，然后轟擊靶材料(打靶實(shí)驗(yàn))，或者與另外一束高能粒子相向?qū)ε?對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn))，產(chǎn)生微觀粒子世界的相互作用。只要質(zhì)心能量足夠，相互作用初始條件合適，就有可能產(chǎn)生可觀的科學(xué)家們感興趣的微觀現(xiàn)象(即信號(hào)過(guò)程)。當(dāng)然，諸如希格斯玻色子這樣的不穩(wěn)定粒子幾乎立即衰變，最終觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)包含的其實(shí)都是相對(duì)長(zhǎng)壽命的粒子或現(xiàn)象，如光子、電子、繆子、陶輕子以及量子色動(dòng)力學(xué)噴注等。只不過(guò)，這樣看似尋常的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)中蘊(yùn)含著我們孜孜求索的信號(hào)的痕跡。探測(cè)這些實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可以獲得與信號(hào)過(guò)程相關(guān)的物理結(jié)果。下面描述實(shí)驗(yàn)探測(cè)中的幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

首先，粒子加速器要能將參與反應(yīng)的粒子加速到足夠的能量?？茖W(xué)家通常利用強(qiáng)電場(chǎng)來(lái)加速帶電粒子，產(chǎn)生醫(yī)用X射線(xiàn)的小型電子加速器長(zhǎng)度在米量級(jí)，而要觸摸到希格斯玻色子所在的電弱物理能標(biāo)，直線(xiàn)加速器的長(zhǎng)度得在十公里量級(jí)。如果參與反應(yīng)的粒子只有小部分能量轉(zhuǎn)換為目標(biāo)粒子的質(zhì)量，則實(shí)際加速能量需要更高，加速長(zhǎng)度需要更長(zhǎng)，在適合的條件下，往往采用環(huán)形加速器。粒子在圓圈中循環(huán)往復(fù)地加速和貯存，等待時(shí)機(jī)參與粒子間的相互作用。LHC是目前最大的環(huán)形加速器，周長(zhǎng)達(dá)27 km。這樣的巨型設(shè)施需要的是全世界之合力，且合并的不僅僅是人力智慧，還包括各種尖端技術(shù)，如用于加速的超導(dǎo)射頻腔、偏轉(zhuǎn)準(zhǔn)直的超導(dǎo)磁鐵和控制測(cè)量的超快抗輻射電子學(xué)系統(tǒng)等。

其次，需要極其大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)才可探究如希格斯玻色子這樣的稀有現(xiàn)象。我們知道，微觀世界的觀測(cè)量都是由一定的統(tǒng)計(jì)分布描述的。實(shí)驗(yàn)上準(zhǔn)確測(cè)量這些分布，才能探索其背后的深刻物理，而要準(zhǔn)確獲得分布的全貌顯然需要大統(tǒng)計(jì)量的重復(fù)實(shí)驗(yàn)。另外，微觀世界的反應(yīng)是十分復(fù)雜的，例如在LHC上，高能質(zhì)子—質(zhì)子對(duì)碰產(chǎn)生的是一個(gè)“萬(wàn)花筒”，每朵“花”對(duì)應(yīng)一個(gè)反應(yīng)過(guò)程，有不同的出現(xiàn)幾率。包含希格斯玻色子的反應(yīng)過(guò)程的出現(xiàn)幾率極其低，低至每當(dāng)質(zhì)子—質(zhì)子相互作用約一百億次，才能出現(xiàn)一次希格斯玻色子。正是因?yàn)檫@些原因，加速器要能在有限的時(shí)間內(nèi)(通常數(shù)年)盡可能多地觸發(fā)反應(yīng)(對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)術(shù)語(yǔ)叫積分亮度)，同時(shí)龐大的設(shè)施在經(jīng)年累月的運(yùn)行中要保證足夠穩(wěn)定，避免差錯(cuò)。

最后，依賴(lài)高精度的探測(cè)與高超的數(shù)據(jù)分析才能獲得物理結(jié)果。前面說(shuō)過(guò)，大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)后，極少數(shù)的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)中才有可能有信號(hào)的蹤跡，科學(xué)家依靠大型但又精密的探測(cè)器去全面捕獲末態(tài)的信息。如希格斯玻色子那樣的目標(biāo)粒子誕生于實(shí)驗(yàn)反應(yīng)的時(shí)間、坐標(biāo)零點(diǎn)，但轉(zhuǎn)瞬即逝，最終衰變產(chǎn)物次級(jí)粒子淹沒(méi)在動(dòng)輒數(shù)百粒子的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)中。因此，探測(cè)器必須有能力追蹤每一個(gè)末態(tài)粒子，并準(zhǔn)確測(cè)量它的路徑、能量、種類(lèi)等信息，最終我們利用這些信息窺探零點(diǎn)發(fā)生了什么(術(shù)語(yǔ)叫“重建”)。圖3展示了ATLAS實(shí)驗(yàn)對(duì)希格斯粒子衰變?yōu)殡p繆子實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)的一次探測(cè)。探微知著的總體科學(xué)目標(biāo)使得對(duì)這些測(cè)量的精度要求極其嚴(yán)苛，誕生與發(fā)展了一系列先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)，其中許多技術(shù)后來(lái)又廣泛應(yīng)用于國(guó)計(jì)民生，如醫(yī)學(xué)成像、地球勘探，輻射探測(cè)等。大統(tǒng)計(jì)量的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)集合乘以每個(gè)末態(tài)對(duì)應(yīng)的大量探測(cè)器信息，構(gòu)成了一個(gè)真正意義上的大數(shù)據(jù)集?？茖W(xué)家們小心翼翼地開(kāi)展大數(shù)據(jù)分析，對(duì)比模擬數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)，應(yīng)用來(lái)自探測(cè)器和來(lái)自理論計(jì)算的修正因子，巧妙地利用物理規(guī)律設(shè)計(jì)篩選條件來(lái)壓制噪聲，提高信號(hào)探測(cè)的顯著程度。經(jīng)過(guò)反復(fù)錘煉的數(shù)據(jù)分析最終給出可靠的物理結(jié)論和令人信服的誤差分析。

圖3 LHC上ATLAS實(shí)驗(yàn)探測(cè)到的一次希格斯粒子衰變?yōu)殡p繆子實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)的圖像展示。紅色徑跡為繆子，圖中展示了部分探測(cè)器結(jié)構(gòu) (圖片來(lái)源：歐洲核子中心)

受限于篇幅，關(guān)于實(shí)驗(yàn)探測(cè)的更深入的介紹無(wú)法展開(kāi)，但筆者希望如上的描述能幫助讀者從大方向上把握實(shí)驗(yàn)探測(cè)的宏大精妙之處。討論完這些基本環(huán)節(jié)之后，下面簡(jiǎn)略描述希格斯粒子的探索歷程。

真正系統(tǒng)性地對(duì)希格斯粒子進(jìn)行現(xiàn)象學(xué)討論和實(shí)驗(yàn)尋找的起點(diǎn)大體可以追溯回1975年附近。那時(shí)，通過(guò)對(duì)低能核物理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并利用低能強(qiáng)子對(duì)撞，科學(xué)家在兆電子伏和吉電子伏區(qū)間對(duì)希格斯玻色子進(jìn)行尋找，顯然并沒(méi)有找到其存在的跡象，因此推論它的質(zhì)量應(yīng)該在這個(gè)能量段之上。

時(shí)間來(lái)到了大型對(duì)撞機(jī)時(shí)代中的20世紀(jì)90年代，科學(xué)家們重點(diǎn)在歐洲核子研究中心的大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(LEP)以及美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)子—反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)(Tevatron)上尋找希格斯玻色子。LEP運(yùn)行到千禧年而后停機(jī)改造成LHC，而Tevatron運(yùn)行到2011年。LEP上沒(méi)有找到希格斯玻色子的跡象，給出了質(zhì)量下限114 GeV，而Tevatron上的數(shù)據(jù)分析到2011年也未有發(fā)現(xiàn)，排除了156—177 GeV區(qū)間?？紤]到最終發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的質(zhì)量為125 GeV，可以說(shuō)這兩次嘗試都很接近，但由于歷史的偶然性，是不幸運(yùn)的。LEP受限于對(duì)撞能量，而Tevatron受限于統(tǒng)計(jì)量。

值得一提的是，現(xiàn)象學(xué)研究對(duì)尋找希格斯玻色子來(lái)說(shuō)十分重要?？紤]標(biāo)準(zhǔn)模型是基于量子場(chǎng)論的一個(gè)可重正化理論，它決定了希格斯玻色子的質(zhì)量與電弱理論中的其他許多物理量之間有內(nèi)在聯(lián)系，精確測(cè)量這些物理量(如W玻色子質(zhì)量等)可以間接限制希格斯玻色子的質(zhì)量。在發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的前夕，這樣的研究給出了質(zhì)量的最可期區(qū)間120—130 GeV。

希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)定格在2012年7月4號(hào)，LHC上的大型國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)ATLAS和CMS共同宣布以很高的統(tǒng)計(jì)置信度發(fā)現(xiàn)了疑似希格斯玻色子的粒子。發(fā)現(xiàn)該粒子主要采用了探測(cè)靈敏度最高的希格斯玻色子衰變到雙Z玻色子、雙光子以及雙W玻色子末態(tài)。以雙Z玻色子最終衰變到4個(gè)帶電輕子末態(tài)為例，真正測(cè)得的希格斯玻色子屈指可數(shù)，但該末態(tài)信噪比很好，因此統(tǒng)計(jì)上十分重要；這些信號(hào)是在近1013倍于己身的噪聲數(shù)據(jù)集中發(fā)現(xiàn)的！在粒子物理實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)新粒子往往表述成：真實(shí)數(shù)據(jù)以幾倍高斯標(biāo)準(zhǔn)偏差的顯著度否決了沒(méi)有信號(hào)存在的假設(shè)檢驗(yàn)。2012年的發(fā)現(xiàn)于單個(gè)實(shí)驗(yàn)都是5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)顯著度，等效于說(shuō)不存在這個(gè)新粒子的可能性為百萬(wàn)分之一。

這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)具有劃時(shí)代的意義，它幫助填補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖，使得標(biāo)準(zhǔn)模型電弱統(tǒng)一得以真正完成，而基本粒子的質(zhì)量有了真正理論來(lái)源。初期的研究發(fā)現(xiàn)這個(gè)新粒子基本符合期待已久的希格斯玻色子，但其真正自然本性有待更大統(tǒng)計(jì)量數(shù)據(jù)的精確檢驗(yàn)。

5、展望

希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)具有里程碑意義，2012年之后，希格斯物理時(shí)代自然就來(lái)臨了：這樣一個(gè)新生的神秘的“舊”事物值得仔細(xì)審視，研究它的粒子內(nèi)稟屬性，研究它和其余基本粒子的耦合，研究它背后希格斯機(jī)制的自洽性(如雙玻色子散射過(guò)程)，以及研究它和新物理(如暗物質(zhì))的關(guān)聯(lián)等。希格斯物理研究成為當(dāng)下粒子物理學(xué)的一個(gè)核心方向。從2012年的8 TeV 對(duì)撞質(zhì)心能量往后，LHC的質(zhì)子—質(zhì)子對(duì)撞能量繼續(xù)提高到13—13.6 TeV，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。十年后的今天，獲得的希格斯粒子數(shù)目相較2012年增長(zhǎng)了近15倍，科學(xué)家們相繼驗(yàn)證了它的標(biāo)量粒子特性、它與一系列基本粒子(頂夸克、底夸克、Z玻色子、W玻色子、陶輕子、繆子)的耦合，并將一些主要希格斯過(guò)程的測(cè)量精度提升至10%[8，9]。

科學(xué)家們大體已經(jīng)認(rèn)可了這個(gè)希格斯玻色子確實(shí)是標(biāo)準(zhǔn)模型需要的那個(gè)粒子。希格斯物理研究的未來(lái)或許會(huì)更加多樣化：繼續(xù)探索LHC實(shí)驗(yàn)上可觀的希格斯過(guò)程，精確檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言；充分利用LHC實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)探索稀有希格斯物理過(guò)程，如希格斯玻色子與更輕費(fèi)米子的耦合、其自耦合，以及其不可見(jiàn)衰變等，以期發(fā)現(xiàn)異常，揭示其與新物理現(xiàn)象的關(guān)系；探索希格斯玻色子在宇宙演化、真空電弱相變中的作用，探討可能的互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)等等?，F(xiàn)在是希格斯物理的第一個(gè)十年，希望第二個(gè)、第三個(gè)十年時(shí)會(huì)有新的激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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[8] ATLAS Collaboration. Nature，2022，607 (7917)：52

[9] CMS Collaboration. Nature，2022，607 (7917)：60

（作者吳雨生和徐來(lái)林來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)粒子科學(xué)技術(shù)研究中心和核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，張揚(yáng)來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)交叉學(xué)科理論研究中心和彭桓武高能基礎(chǔ)理論研究中心。原標(biāo)題《漫談希格斯粒子》，本文首發(fā)于《物理》2022年第11期。澎湃科技獲授權(quán)轉(zhuǎn)發(fā)。)