希格斯玻色子的實驗探索

希格斯玻色子的實驗探索，這兩種粒子極像希格斯玻色子。2013年3月14日，歐洲核子研究組織發表新聞稿正式宣佈，先前探測到的新粒子是希格斯玻色子，並且暫時確認具有偶宇稱與零自旋，這是希格斯玻色子應該具有的兩種基本性質，但有一部分實驗結果不盡符合理論預測，更多資料仍舊等待處理與分析。2013年10月8日，因為“次原子粒子質量的生成機制理論，促進了人類對這方面的理解，並且最近由歐洲核子研究組織屬下大型強子對撞機的超環面儀器及緊湊緲子線圈探測器發現的基本粒子證實”，弗朗索瓦·恩格勒、彼得·希格斯榮獲2013年諾貝爾物理學獎。本篇文章從下段落起，將希格斯玻色子簡稱為「希子」。科學重要性.在學術界裡，發現希子存在極其重要，物理學者可以用現有知識與技術檢驗希子的性質，研究整個希格斯區的理論：注意到希格斯場並不是以無中生有這種方式生成質量，這會違反能量守恆定律。希格斯場也不是所有粒子質量的生成因素。按照希格斯機制，原本質量是以能量形式儲存於希格斯場，當粒子與希格斯場耦合時，勢能被傳輸給粒子，以質量的形式呈現於粒子。"所有物質粒子都是自旋為1/2的費米子，所有作用力載子都是自旋為1的玻色子。希子是自旋為0的玻色子的某種把柄？"假若測量希子得到的結果建議，宇宙的真空是一種假真空，則這意味著當今宇宙的作用力、粒子、架構可能不再存在，在幾十億年之後，可能會被另外一種宇宙全盤替代，假若它能夠成核。準確測量頂夸克質量可能需要新一代高階精密的正負電子對撞機實驗探索.如同其它帶質量粒子的衰變行為，希子會在非常短暫時間內衰變成其它粒子，因此無法做實驗直接觀測到希子。但是，標準模型精確地預言所有可能衰變方式與其對應或然率，假若能夠仔細檢驗碰撞的衰變產物，就可以追蹤希子的生成與衰變。1980年代，隨著不斷發展的粒子加速器的建成，實驗探索開始釋出關於希子的訊息。由於假定存在的希子的可能質量值域非常寬廣，需要建造很多尖端設施來進行實驗探索。這包括功能強大的粒子加速器、偵測。另外，還需要高功能電腦設施來處理與分析大量資料。所有可能質量都必須一個值域一個值域的仔細檢驗，逐漸縮緊探索範圍。實驗探索的當前目標是找到可能是希子的粒子。假若能夠找到這粒子，下一步是仔細研究其性質，查明是否與標準模型預言的希子性質相同。假若性質相同，則可以證實新粒子的確是希子；否則，可能是生成截面不同，或者是衰變分支比不同，那麼就必須將標準模型加以修正。早期限制.1970年代早期，關於希子存在的限制屈指可數。從核子物理實驗、中子星實驗、中子散射實驗，並沒有觀測到與希子相關的效應，因此可以推論出這些限制，它們排除希子質量少於。早期對撞機現象學.1970年代中期，一些探討希子怎樣從粒子碰撞實驗中顯露出來的理論研究報告開始出現。可是，撰寫這些報告的物理學者，並沒有對實際找到希子寄予很大的期望，他們警告："我們或許應該帶著歉意與謹慎結束這篇論文。我們對於實驗者表示抱歉，因為我們尚未搞清楚希子的質量……我們不清楚希子與其它粒子之間的耦合，我們只知道這些耦合很小。因此，我們不願意鼓勵進行大規模實驗來探索希子，但是我們覺得，有些實驗可能會遭遇到希子，做這些實驗的人們應該知道希子會怎樣出現。"在那時，物理學者沒有任何關於希子質量的線索。理論分析只給出了一個從到的非常寬廣的值域，沒有給出任何指示應該往哪裡探索。大型正負電子對撞機.在1989年大型正負電子對撞機開始運作以前，實驗探索只能在質量低於幾個GeV的值域尋找希子。最初，大型正負電子對撞機將電子與正電子分別加速至，質心能量大約為Z 玻色子的質量。後來，又逐步增加能量，於2000年達到。:12-14大型正負電子對撞機主要是透過希子制動輻射製造希子與Z玻色子：:401-405formula_1 ；其中，formula_2 、formula_3 、formula_4 、formula_5 分別是正電子、電子、Z玻色子、希子。假若質量低於，希子最常衰變為底夸克反底夸克對，因此，大型正負電子對撞機主要尋找的最終態拓撲為:12-14其中，formula_8 、formula_9 、formula_10 分別為費米子、底夸克、微中子，反粒子標記為上方加橫槓的對應粒子符號。到公元2000年為止，大型正負電子對撞機並沒有找到希子的確切存在證據，這是因為它的專長是精密測量粒子的性質。根據大型正負電子對撞機所收集到的資料，標準模型希子的質量下限被設定為，置信水平95%。這實驗曾經偵測到一些特別值得注意的超額事件。這些事件可以被詮釋為質量約為的希子事件，可惜由於事件數量不夠，無法做定論。為了要建築下一代對撞機大型強子對撞機，於2000年，大型正負電子對撞機停止運作。大型正負電子對撞機停止運作。兆電子伏特加速器與大型強子對撞機仍舊繼續這種縮小與排除可能值域的方法。兆電子伏特加速器.費米實驗室的兆電子伏特加速器將質子束與反質子束分別加速至，在CDF偵測器和DØ偵測器裡對撞，然後研究所有發生的物理現象，這包括尋找希子。在質量低於值域，由於量子色動力學背景雜訊太大，不能採用膠子融合為偵測途徑，最靈敏的偵測途徑是透過希子制動輻射製成希子:14-15formula_12 、formula_13 ，其中，formula_14 是質子。希子、W玻色子或Z玻色子分別會衰變為formula_15 、formula_16 、formula_17 ；其中，formula_18 是輕子，formula_10 是微中子。藉著W玻色子或Z玻色子的輕子衰變，可以濾除量子色動力學背景雜訊，篩選出 formula_20 訊號。對於希子衰變，產物的質量越大，則耦合常數越強。:401-405因此，在遵守質能守恆的前提下，它比較傾向於衰變為質量較大的粒子。在質量高於值域，主要的衰變模式為formula_21 。對於這種衰變模式，兆電子伏特加速器是靠著希子制動輻射製造希子，另外，還靠著膠子融合製造希子：formula_22 ；其中，formula_23 是膠子。2010年1月，CDF實驗團隊和DØ實驗團隊宣佈，所蒐集到的資料足以排除希子的質量在162-以內，置信水平95%。同樣實驗團隊於2010年7月表示，排除希子的質量在158-以內，置信水平95%。2011年7月發表結果，延伸這排除值域至156-，置信水平95%；另外，在值域125-內，發現少許超額事件。2011年12月22日，DØ實驗團隊發表有關最小超對稱標準模型。2012年7月2日，DØ與CDF實驗團隊宣佈，進一布分析使他們更加有信心。他們排除希子的質量在100-、147-以內，置信水平95%。在能量115–之間區域，超額事件的統計顯著性為2.5個標準差，這對應於在550次事件中，有一次事件是歸咎於統計漲落。這結果仍舊未能達到5個標準差，因此不能夠作定論。歷經多年運作，兆電子伏特加速器只能對於更進一步排除希子質量值域做出貢獻，由於能量與亮度無法與建成的大型強子對撞機競爭，於2011年9月30日除役。大型強子對撞機.大型強子對撞機與兆電子伏特加速器都是重子對撞機，它們的運作性質很類似。重子對撞機所遇到的問題比大型正負電子對撞機複雜。由於涉及到的質子是複合粒子，而不是單純的電子和正電子，重子對撞機要處理更多其它物理過程所造成的背景事件。大型強子對撞機可以將兩個相互對撞的質子束分別加速至，更高的能量可以觀測到更多的物理現象。大型強子對撞機主要是靠著膠子融合製造希子：formula_22 ；其中，formula_23 是膠子。前段所敘述的希子制動輻射也是重要機制，另外，還有弱玻色子融合、頂夸克融合。:20-21假若質量大於，則希子主要會衰變為兩個W玻色子或Z玻色子，這些規範玻色子又會輕子衰變：:20-21formula_26 、formula_27 。假若質量小於，則希子主要的衰變道為:20-21formula_28 、formula_15 、formula_30 ；其中，formula_31 是光子，formula_32 是陶子。在這5種衰變道之中，比較重要的是「雙光子道」，從這些衰變道可以準確地測量出粒子質量。由於W玻色子會輕子衰變成一個輕子與對應的微中子，而微中子無法被偵測，所以，formula_35 道的衰變輕子能量訊號比較寬廣。雖然 formula_20 道的截面很高，由於量子色動力學背景雜訊也很高，必須特別處理伴隨的W玻色子或Z玻色子衰變資料，才能觀測到正確的 formula_20 訊號。:20-212008年9月10日，大型強子對撞機正式開始除錯運作。9天後，在暖機過程時，發生磁體失超事件，使得收集實驗資料被迫延遲14個月至2009年11月。工程師調查出肇因是磁鐵與磁鐵之間電接連缺陷，引起機械性損毀與氦氣被釋入大型強子對撞機隧道。修理耗費了幾個月時間，電路缺陷偵測系統與快速失超控制系統的功能也被大幅度提升。自2010年3月30日開始3.5 TeV粒子束能量運作之後，大型強子對撞機越加緊鑼密鼓地進行資料蒐集與分析。到2011年7月為止，從超環面儀器實驗得到的結果，排除標準模型希子的質量在155-以內，置信水平95%；從緊湊緲子線圈實驗得到的結果，排除標準模型希子的質量在149-以內，置信水平95%。超環面儀器實驗團隊在同報告裡表示，可能已偵測到希子的蹤跡，在低質量值域120−，偵測到超額事件，大約超過背景數量期望值2.8個標準差。12月13日，超環面儀器實驗團隊和緊湊緲子線圈實驗團隊釋出對希子的階段性偵測結果：“如果希子存在，則其質量應在115-質量範圍以內,，95%置信水平；另外，超環面儀器在質量範圍125-偵測到超額事件，統計顯著性為3.6個標準差，緊湊緲子線圈在質量範圍偵測到超額事件，統計顯著性為2.6個標準差。現在仍然需要蒐集更多實驗資料，“是否發現”的官方確認至少還要等到2012年11月大型強子對撞機的下一次運作完成以後。蒐集到的實驗資料並不足以證實這些超額事件是否是歸因為背景漲落表示：「統計顯著性不夠大，無法做定論。直到今天為止，我們所看到的與背景漲落或與玻色子存在相符合。更仔細的分析與這精心打造的巨環在2012年所貢獻出的更多資料必定會給出一個答案。」。2012年7月2日，超環面儀器實驗團隊發表2011年實驗資料分析，排除希子的質量在111.4-、119.4-、129.2-以內，置信水平95%，又在質量附近檢測出超額事件，統計顯著性為2.9個標準差。發現新玻色子.2012年6月22日，歐洲核子研究組織發表宣告，將要召開專題討論會與新聞發布會，報告關於尋找希子的最新研究結果。不消一刻，謠言傳遍了新聞媒體，記者們與一些物理學者紛紛猜測歐洲核子研究組織是否會正式宣佈證實希子存在。7月4日，歐洲核子研究組織舉行專題討論會與新聞釋出會宣佈，緊湊緲子線圈發現質量為的新玻色子，標準差為4.9；超環面儀器發現質量為126.5GeV的新玻色子標準差為4.6。物理學者認為這兩個粒子可能就是希子。歐洲核子研究組織的所長說：“從一個外行人的角度來說，我們已經發現希子了；但從一個內行人的角度來說，我們還需要更多的資料。”一旦將其它種類的緊湊緲子線圈相互作用納入計算，這兩個實驗達到區域性統計顯著性5個標準差──錯誤機率低於百萬分之一。在新聞釋出之前很長一段時間，兩個團隊彼此之間不能互通訊息，這樣才能確保每一個團隊得到的結果不會受到另一個團隊的影響而發生任何偏差，這也可以讓兩個團隊各自獨立得到的研究結果可以彼此相互核對。如此規格的證據，透過兩個被隔離團隊與實驗的獨立確定，已達到確定發現所需要的正式標準。歐洲核子研究組織的治學態度非常嚴謹，不願意引人非議；歐洲核子研究組織表明，新發現的粒子與希子相符，但是物理學者尚未明確地認定這粒子就是希子，仍舊需要更進一步蒐集與分析資料才能夠做定論。 換句話說，從實驗觀測顯示，新發現的玻色子可能是希子，很多物理學者都認為非常可能是希子，現在已經證實有一個新粒子存在，但仍舊需要更進一步研究這粒子，必需排除這粒子或許不是希子的任何可疑之處。7月31日，歐洲核子研究組織的緊湊緲子線圈小組和超環面儀器小組分別提交了新的偵測結果的論文，將這種疑似希子的粒子的質量確定為緊湊緲子線圈的125.3 GeV。2013年3月14日，歐洲核子研究組織釋出新聞稿表示，先前探測到的新粒子是希子。統計學術語.本篇文章使用到一些統計學術語。為了便利讀者瞭解這些術語，現特別加以解釋。:175-181