希格斯玻色子

概述

本篇文章將希格斯玻色子簡稱為「希子」。

標準模型

在粒子物理學裡，標準模型是一種被廣泛接受的框架，可以描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子。除了重力以外，標準模型可以合理解釋這世界中的大多數物理現象。
早期的標準模型所倚賴的規範場論闡明，基本力是源自於規範不變性，是由規範玻色子來傳遞。規範場論嚴格規定，規範玻色子必須不帶有質量，因此，傳遞電磁交互作用的規範玻色子（光子）不帶有質量。光子的質量的確經實驗證實為零。藉此類推，傳遞弱交互作用的規範玻色子（W玻色子、Z玻色子）應該不帶有質量，可是實驗證實W玻色子與Z玻色子的質量不為零，這顯示出早期模型不夠完善，因此須要建立特別機制來賦予W玻色子、Z玻色子它們所帶有的質量。

希格斯機制

在1960年代，幾位物理學者研究出一種機制，其能夠利用自發對稱性破缺來賦予基本粒子質量，同時又不會牴觸到規範場論。這機制被稱為希格斯機制，希格斯機制已被實驗證實。但是，物理學者仍舊不清楚關於希格斯機制的諸多細節。
這機制假定宇宙遍布著希格斯場，其能夠與某些基本粒子交互作用，並且利用自發對稱性破缺使得它們獲得質量。相關理論在70年代被納入粒子物理學的標準模型。

希格斯玻色子

希子是伴隨著希格斯場的帶質量玻色子，是希格斯場的量子激發。假若能證實希子存在，就可以推論希格斯場存在，就好像從觀察海面的波浪可以推論出海洋的存在。不僅如此，希格斯機制也可被確認為基本無誤。在那時期，雖然還沒有任何直接證據可以證實希格斯粒子存在，由於希格斯機制所給出的準確預測，物理學者認為，希格斯機制極有可能正確無誤。到了1980年代，希格斯粒子的存在與否已成為在粒子物理學裡最重要的未解決的物理學問題之一。
標準模型明確指出，希子的存在很難證實。與其它粒子相比較，製造希子需要極大的碰撞能量，必須建造超級粒子加速器來提供這樣大的能量，而且，每一次碰撞製造出其它粒子的可能性比製造出希子的可能性大很多，即使希子被製成，它也會非常迅速地衰變成別的粒子（平均壽命為1.56×10⁻²² s），因此難以被檢測到，只能倚靠辨認與分析衰變產物，才可推斷出它們大概是源自於希子，而不是源自於其它粒子。此外，很多其它種衰變過程也會顯示出類似的跡象，這使得尋找希子有如大海撈針。只有依靠先進的超級粒子加速器與精準的探測器，物理學者才可觀測數之不盡的粒子碰撞事件，將獲得的紀錄數據加以分析，尋找出希子的蛛絲馬跡，然後再進一步分析，計算希子存在的可能性，確定所得到的結果絕對不是來自偶發事件。
再華麗、再精緻的理論，也需要通過實驗加以證實，才會被正式接受，否則只能視為高談大論。物理學者很希望能夠證實希子是否存在。但是，早先從實驗得到的數據只能讓他們判別希子是否可能存在於某個質量值域。為了彌補這不足，歐洲核子研究組織在瑞士建成了大型強子對撞機（LHC）。它是全世界最先進的粒子加速器。它的主要研究目標之一就是證實希子是否存在。
2013年，LHC的物理學者已確定發現希子，這發現強烈支持某種希格斯場瀰漫於空間。當今，LHC仍舊在如火如荼地蒐集數據，試圖明白希格斯場的性質。

物理評論快報1964年裡程碑論文

六位物理學者分別發表的三篇論文，在《物理評論快報》50周年慶祝文獻裡被公認為裡程碑論文。2010年，他們又榮獲理論粒子物理學櫻井獎。同年，在他們之間，又發生了一點爭執，萬一因此獲得諾貝爾物理學獎，由於每一年只能授予給三位傑出人士，而現在有六位人士做出了關鍵貢獻，到底應該頒發物理學最榮譽的獎給哪三位人士？（結果，弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯獲得了2013年諾貝爾物理學獎。）
1964年8月，恩格勒團隊發表了三頁論文，他們假定存在有複值標量場（即希格斯場），其數值在量子真空裡不等於零，然後使用費曼圖方法演示出規範玻色子怎樣獲得質量。恩格勒團隊並沒有提到任何關於希子的資訊。稍後，希格斯獨立發表論文概述怎樣能夠應用局域規範對稱性來迴避戈德斯通定理，他並沒有給出模型明確顯示戈德斯通玻色子被抵銷。不久之後，希格斯發表第二篇論文，他更仔細的表述這迴避方法，給出一個可行模型，並且用這模型演示出規範向量場怎樣吃掉戈德斯通玻色子，因此獲得質量。他將這篇論文被呈送給《物理快報》，但是令人驚訝地沒有被接受。他無法理解，為什麼同樣的學術刊物，會接受一篇關於「帶質量規範玻色子可能存在」的論文，又會否絕一篇描述「帶質量規範玻色子實際模型」的文章。希格斯不因此而氣餒，他又添加了一些內容，從他給出的模型，他預測另外存在一種帶質量玻色子，後來知名為「希格斯玻色子」希格斯的1966年論文推導出希子的衰變機制；只有帶質量玻色子可以衰變，假若找到衰變的跡象，就可以證實希子存在。
古拉尼團隊論文提到了恩格勒團隊與希格斯先前分別獨立發表的論文。古拉尼團隊論文是唯一對於整個希格斯機制給出完整分析的論文。這論文也推導出希子的存在，但是希格斯的希子具有質量，而古拉尼團隊的希子不具有質量，這結果令人疑問兩種希子是否相同。在2009年與2011年發表的兩篇論文中，古拉尼解釋，在古拉尼團隊給出的模型裡，取至最低階近似，玻色子的質量為零，但是這質量的數值沒有被任何理論限制；取至較高階，玻色子可以獲得質量。
希格斯機制不但解釋了規範玻色子怎樣獲得質量，還預測這些玻色子與標準模型的費米子之間的耦合。經過在大型正負電子對撞機（LEP）和史丹佛線性加速器（SLAC）做精密測量實驗，很多預測都已經核對證實，因此確認大自然實際存在這一機制。但物理學者仍舊不清楚希格斯機制到底是怎樣發生，他們希望能從尋找希子所得到的結果獲得一些這方面的證據。

理論

量子力學的真空與一般認知的真空不同。在量子力學裡，真空並不是全無一物的空間，虛粒子會持續地隨機生成或湮滅於空間的任意位置，這會造成奧妙的量子效應。將這些量子效應納入考量之後，空間的最低能量態，是在所有能量態之中，能量最低的能量態，又稱為基態或「真空態」。最低能量態的空間才是量子力學的真空。描述物理系統的方程式所具有的對稱性，這最低能量態可能不具有，這現象稱為自發對稱性破缺。
在標準模型裡，為了滿足局域規範不變性，規範玻色子的質量必須設定為零；但這不符合實驗觀察結果──W玻色子與Z玻色子都已經通過做實驗檢驗確實擁有質量。因此，這些玻色子必須倚賴其它種機制或作用來獲得質量。
如右圖所示，假定有一種遍布於宇宙的複值希格斯場  ，而希格斯勢與希格斯場  的關係形狀好似一頂墨西哥帽，最低能量態不在帽頂，而是在帽子谷底，在這裡有無窮多個簡併的最低能量態，其對應的希格斯場不等於零。每一個最低能量態位置都不具有旋轉對稱性。在這無窮多個最低能量態之中，只有一個最低能量態能夠被實現，旋轉對稱性因此被打破，造成自發對稱性破缺，因此使規範玻色子獲得質量，同時生成一種零質量玻色子，稱為戈德斯通玻色子，而希子則是伴隨著希格斯場的粒子，是希格斯場的振動。但這戈德斯通玻色子並不符合實際物理。通過選擇適當的規範，戈德斯通玻色子會被抵銷，只存留帶質量希子與帶質量規範玻色子。總括而言，利用自發對稱性破缺，使得規範玻色子獲得質量，這就是希格斯機制。在所有可以賦予規範玻色子質量，而同時又遵守規範理論的可能機制中，這是最簡單的機制。
按照希格斯機制，複值希格斯場（兩個自由度）與零質量規範玻色子（橫場，如同光子一樣，具有兩個自由度）被變換為帶質量標量粒子（希子，一個自由度）與帶質量規範玻色子（戈德斯通玻色子變換為一個縱場，加上先前的橫場，共有三個自由度），自由度守恆。
費米子也是因為與希格斯場交互作用而獲得質量，但它們獲得質量的方式不同於W玻色子、Z玻色子的方式。在規範場論裡，為了滿足局域規範不變性，必須設定費米子的質量為零。通過湯川耦合，費米子也可以因為自發對稱性破缺而獲得質量。

標準模型希子的性質

稍微複雜一點，但更實際一點，在最小標準模型（minimal standard model）裡，希格斯場是複值二重態，是由兩個複值標量場，或四個實值標量場組成，其中，兩個帶有電荷，兩個是中性。在這模型裡，還有四個零質量規範玻色子，都是橫場，如同光子一樣，具有兩個自由度。總合起來，一共有十二個自由度。自發對稱性破缺之後，一共有三個規範玻色子會獲得質量、同時各自添加一個縱場，總共有九個自由度，另外還有一個具有兩個自由度的零質量規範玻色子，剩下的一個自由度是帶質量的希子。三個帶質量規範玻色子分別是W⁺、W⁻和Z玻色子。零質量規範玻色子是光子。由於希格斯場是標量場（不會因勞侖茲變換 而改變），希子不具有自旋。希子不帶電荷，是自己的反粒子，具有CP-偶性。
標準模型並沒有預測希子的質量。假若質量在115和180 GeV之間，則能量尺度直到普朗克尺度（10¹⁹ GeV）上限，標準模型都有效。基於標準模型的一些不令人滿意的性質，許多理論學者認為後標準模型的新物理會出現於TeV能量尺度。希子（或其他的電弱對稱性破缺機制）能夠具有的質量的尺度上限是1.4 TeV；超過此上限，標準模型變得不相容，因為對於某些散射過程違反了么正性。現今，學術界有超過一百種不同關於希格斯質量的理論預測。
理論而言，希子的質量或許可以間接估計。在標準模型裡，希子會造成一些間接效應。最值得注意的是，希格斯迴路會造成W玻色子質量和Z玻色子質量的小額度修正。通過整體擬合從各個對撞機獲得的精密電弱數據，可以估計希子的質量為94+29
−24 GeV，或小於152 GeV，置信水平95%。
希子可能會與前面提到的標準模型粒子交互作用，但也可能會與詭祕的大質量弱交互作用粒子交互作用，形成暗物質，這在近期天文物理學研究領域裡，是很重要的論題。

希子的衰變

在量子力學裡，假若粒子有可能衰變成一組質量較輕的粒子，則這粒子必會如此衰變。衰變發生的機率與幾種因素有關：質量差值、耦合強度等等。標準模型已將大多數這些因素設定，希子質量是一個例外。假設希子質量為126 GeV，則標準模型預測平均壽命（mean lifetime）大約為1.6×10⁻²² 秒。
由於希子會與每一種「已知」帶質量基本粒子交互作用，希子有很多種不同的衰變道。每種衰變道都有其發生的機率，稱為分支比（branching ratio），定義為這種衰變道發生的次數除以總次數。右圖展示出，標準模型預測的幾種不同衰變模式的分支比與質量之間的關係。
在這幾種希子衰變道之中，有一種衰變道是分裂為費米子反費米子對。對於希子衰變，產物質量越大，則耦合強度越大（呈線性或平方關係）。因此，希子比較可能衰變為較重的費米子，希子應該最常衰變為頂夸克反頂夸克對。但是，這種衰變必須遵守運動學約束，即希子質量必須大於346 GeV，頂夸克質量的兩倍。假設希子質量為126 GeV，則標準模型預測最常發生的衰變為底夸克反底夸克對，機率為56.1%。第二常發生的衰變是陶子反陶子對，機率為6%。
希子也有可能分裂為一對帶質量規範玻色子。對於這模式，希子最有可能衰變為一對W玻色子，假設希子質量為126 GeV，則機率為23.1%。在這之後，W玻色子可以衰變為夸克與反夸克，或者，衰變為輕子與微中子。這最後一種模式不能被重建，因為無法探測到微中子。希子衰變為一對Z玻色子會給出較乾淨的訊號，若果Z玻色子會繼續衰變為易探測的帶電荷輕子反輕子對（電子或緲子）。假設希子質量為126 GeV，則機率為2.9%。
希子還可能衰變為零質量膠子，但是中間需要經過夸克圈。對於這模式，最常會經過頂夸克圈，因為頂夸克最重，也因為如此，雖然這是個單圈圖（one-loop diagram），而不是樹圖（tree-level diagram），它發生的衰變機率仍舊可觀，不容忽略。假設希子質量為126 GeV，則機率為8.5%。
比較稀有的是希子衰變為零質量光子，機率為0.2%，這過程中間需要經過費米子圈或Ｗ玻色子圈。由於光子的能量與動量可以非常準確地測量，衰變粒子的質量可以準確重建出來。所以，在探索低質量希子的實驗中，這過程非常重要。

實驗探索

為了要製成希子，在粒子對撞機裡，兩道粒子束被加速到非常高能量，然後在粒子探測器裡相互碰撞，有時候，異乎尋常地，會因此生成產物希子。但是希子會在生成後會在非常短暫時間內發生衰變，無法直接被探測到，探測器只能記錄其所有衰變產物（「衰變特徵」），從這些實驗數據，重建衰變過程，假若符合希子的某種衰變道，則歸類為希子可能被生成事件。實際而言，很多種過程都會出現類似的衰變特徵。很慶幸地是，標準模型精確地預言所有可能衰變模式與對應的或然率，假若探測到更多能夠匹配希子衰變特徵的事件，而不是更多不同於希子衰變特徵的事件，則這應該是希子存在的強烈證據。
在大型強子對撞機裡，由於粒子碰撞生成希子的事件機率非常稀有，大約為百億分之一，很多其它種碰撞事件具有類似的衰變特徵，物理學者必須蒐集與分析幾百萬億個碰撞事件，只有顯示出與希子相同衰變特徵的事件才可被視為是可能的希子衰變事件。在確認發現新粒子之前，兩個獨立的粒子探測器（ATLAS與CMS）所觀測到的衰變特徵出自於背景隨機標準模型的事件機率，都必須低於百萬分之一，也就是說，觀測到的事件數量比沒有新粒子的事件數量，兩者之間相異的程度為5個標準差。更多碰撞數據能夠讓物理學者更為正確地辨認新粒子的物理性質，從而決定新粒子是否為標準模型所描述的希子，還是其它種假想粒子。
低能量實驗設施可能無法找到希子，必須建造一座高能量粒子對撞機，這對撞機還需要具有高亮度來確保蒐集到足夠的碰撞數據。另外，還需要高功能電腦設施來有序處理大量碰撞數據（大約25petabyte每年）。至2012年為止，它的附屬電腦設施，全球大型強子對撞機計算網格（Worldwide LHC Computing Grid）已處理了超過三百萬億（3×10¹⁴）個碰撞事件。這是全球最大的計算網格，隸屬於它的170個電算設施，散布在36國家，是以分布式計算的模式連結在一起。

2012年7月4日以前的探索

最早大規模搜尋希子的實驗設施是歐洲核子研究組織的大型正負電子對撞機，它在1990年代開始運作，直到2000年為止，但它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數據，標準模型希子的質量下限被設定為114.4 GeV，置信水平95%。這意味著假若希子存在，則它應該會重於114.4 GeV/c²。
費米實驗室的兆電子伏特加速器繼承了先前搜尋希子的任務。1995年，它發現了頂夸克。為了搜尋希子，設施的功能被大大提升，但這並不能保證兆電子伏特加速器會發現希子。在那時期，它是唯一正在運作中的超級對撞機，大型強子對撞機正在建造，超導超大型加速器計畫已於1993年取消。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。從分析獲得的實驗數據，兆電子伏特加速器團隊排除希子的質量在100-103 GeV、147-180 GeV以內，置信水平95%。在能量115–140 GeV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。
歐洲核子研究組織的大型強子對撞機（LHC）的設計目標之一為能夠確認或排除希子的存在。在瑞士日內瓦附近鄉村的地底下，圓周為27 km的坑道裡，兩個質子束相撞在一起，最初以3.5 TeV每質子束（總共7 TeV），大約為兆電子伏特加速器的3.6倍，未來還可提升至2 × 7 TeV（總共14 TeV）。根據標準模型，假若希子存在，則這麼高能量的碰撞應該能夠將它揭露出來。這是史上最複雜的科學設施之一。在開啟測試後僅僅九天，由於磁鐵與磁鐵之間電接連缺陷，發生磁體失超事件，造成50多個超導磁鐵被毀壞、真空系統被汙染，整個運作被迫延遲了14個月，直到2009年11月才再度重新運作 。
2010年3月，LHC開始緊鑼密鼓地進行數據搜集與分析。2011年12月，LHC的兩個主要粒子探測器，超環面儀器（ATLAS）和緊湊緲子線圈（CMS）的實驗團隊，已將希子的可能質量值域縮小至115-130 GeV（ATLAS）與117-127 GeV （CMS）。另外，ATLAS在質量範圍125-126 GeV探測到超額事件，統計顯著性為3.6個標準差，CMS在質量範圍124 GeV探測到超額事件，統計顯著性為2.6個標準差。由於統計顯著性並不夠大，尚無法做結論或甚至正式當作一個觀察事件。但是，兩個探測器都獨立地在同樣質量附近檢測出超額事件，這事實使得粒子物理社團極其振奮，期望能夠在檢驗完畢2012年的碰撞數據之後，於明年年底排除或確認標準模型希子的存在。CMS團隊發言人吉多•桐迺立（Guido Tonelli）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年所貢獻出的更多數據必定會給出一個答案。」

「上帝粒子」

美國物理學家、1988年諾貝爾物理學獎獲得者利昂·萊德曼曾著有粒子物理方面的科普書籍《上帝粒子：如果宇宙是答案，那麼問題是什麼？》，後來媒體也沿用了這一稱呼，常常將希子稱作是「上帝粒子」（The God Particle）。這一稱呼激起了公眾媒體對於希子的關注和興趣。萊德曼說他以「上帝粒子」為這粒子命名是因為這粒子「在當今物理學中處於極為中心的位置，對我們理解物質的結構極為關鍵、也極為難以捉摸」。不過他也開玩笑地補充說另一個原因是「圖書出版商不讓他把這粒子稱作『該死的粒子（Goddamn Particle）』，儘管這別稱可能更恰當地表達了希子杳無蹤跡的性質以及人們為之所付出的代價與遭受到的挫折感。」
然而，許多科學家卻不喜歡這一稱呼，因為它過分強調了這粒子的重要性和太宗教化。而且即使這粒子被發現，物理學者仍舊無法回答一些關於強交互作用、電弱交互作用、重力交互作用的統一化問題，以及宇宙的起源問題；希格斯本人是無神論學者。
2009年，英國的《衛報》展開了一次重命名該粒子的競賽，並最終從提交的命名中選擇了「香檳酒瓶玻色子」（champagne bottle boson）作為最佳命名。「香檳酒瓶的瓶底正好是希格斯勢的形狀，而且它常常在物理講座中被用來作為圖解。因此它絕非胡亂編造的名字，而是便於記憶、與物理實際相關的名字。」