希格斯玻色子的实验探索

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希格斯玻色子的实验探索（search for the Higgs boson）指的是从实验中证实希格斯玻色子存在与否。这是一个极为重要的基础物理问题。物理学者花费四十多年时间寻找它。至今为止，全世界最昂贵、最复杂的实验设施之一，大型强子对撞机（LHC），其建成的主要目的之一就是寻找与观察希格斯玻色子与其它种粒子。2012年7月4日，欧洲核子研究组织（CERN）宣布，LHC的紧凑渺子线圈（CMS）探测到质量为125.3±0.6GeV的新玻色子（超过背景期望值4.9个标准差），超环面仪器（ATLAS）测量到质量为126.5GeV的新玻色子（5个标准差），这两种粒子极像希格斯玻色子。2013年3月14日，欧洲核子研究组织发表新闻稿正式宣布，先前探测到的新粒子是希格斯玻色子，并且暂时确认具有偶宇称与零自旋，这是希格斯玻色子应该具有的两种基本性质，但有一部分实验结果不尽符合理论预测，更多数据仍旧等待处理与分析。

2013年10月8日，因为“次原子粒子质量的生成机制理论，促进了人类对这方面的理解，并且最近由欧洲核子研究组织属下大型强子对撞机的超环面仪器及紧凑缈子线圈探测器发现的基本粒子证实”，弗朗索瓦·恩格勒、彼得·希格斯荣获2013年诺贝尔物理学奖。

本篇文章从下段落起，将希格斯玻色子简称为“希子”。

## 科学重要性

在学术界里，发现希子存在极其重要，物理学者可以用现有知识与技术检验希子的性质，研究整个希格斯区的理论：

- 核对标准模型：在标准模型的各种延伸模型或替代模型之间做选择：假若希格斯场存在，则从测量其性质，可以决定哪一种更进阶的延伸模型应被建议或排除。物理学者普遍认为，后标准模型物理（physics beyond the standard model）已开始成型，在某个传承点，标准模型必须被延伸或取代。希子物理有可能会是开启这新物理的一扇大门，寻找暗物质、超对称、额外维度等等的蛛丝马迹，给出可观的证据指引研究者怎样航行于新物理。
- 研究对称性破缺怎样在电弱相互作用里发生：低于某极端高温，电弱对称性破缺促使电弱相互作用呈现为短程的弱作用力，倚赖带质量规范玻色子来传递。假若不存在这机制，人类宇宙不可能存在，因为原子与其它种物质不可能形成。但是，物理学者并不清楚宇宙是否真的曾经发生过这种事。对于这论题，标准模型的说明是否正确？是否能够实际做实验测量，从中获得更多明确证据？假若打破电弱对称性的不是希格斯场，那么到底是什么？
- 研究基本粒子怎样获得质量：根据标准模型，电弱对称性破缺促使基本粒子，像基本费米子、W玻色子、Z玻色子，获得质量。在粒子物理学里，明白这些基本粒子怎样获得质量是一件特别基要的研究项目。

注意到希格斯场并不是以无中生有这种方式生成质量，这会违反能量守恒定律。希格斯场也不是所有粒子质量的生成因素。按照希格斯机制，原本质量是以能量形式储存于希格斯场，当粒子与希格斯场耦合时，势能被传输给粒子，以质量的形式呈现于粒子。

- 证实标量场存在：证实像希格斯场一类的标量场存在是粒子物理学的一大发现。欧洲核子研究中心主任罗尔夫-迪特尔·霍耶尔在2011年一场演讲时表示：

"所有物质粒子都是自旋为1/2的费米子，所有作用力载子都是自旋为1的玻色子。希子是自旋为0的玻色子（标量粒子）。希子既不是物质，又不是作用力。希子与众不同、独树一格。这将会是第一个被发现的基本标量粒子。物理学者认为希格斯场散布于整个宇宙。它是否能够给出研究暗能量（标量场）的某种把柄？"

- 研究宇宙暴胀：物理学者已详细研究希格斯场与暴胀场彼此之间的关系。暴胀场是一种假定存在的量子场，可以解释在大爆炸之后的10-33至10-32秒之间（暴胀时期）的空间急速暴胀。某些理论建议，或许基本标量场造成了这现象。希格斯场是基本标量场，因此有论文分析它是否就是暴胀场。这些特别具有揣测性的理论首先必须克服关于幺正性（unitarity）一类的问题，仍有一大段路要走，在被学术界接受之前。

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- 研究宇宙的本质与未来命运：已经很多年了，描述宇宙的科学模型都会将宇宙的亚稳定性（metastability）纳入考量，也就是说，宇宙很可能拥有很长的寿命，但并不是完全稳定，空间某些区域可能在未来某个时刻被摧毁，因此倒塌成为一种更加稳定的真空态。假若能够更准确地知道希子与顶夸克的质量，假若标准模型能够正确地描述粒子的物理行为甚至到普朗刻尺度的极端能量，则对于宇宙的现有真空态是否稳定，还是只是寿长这问题，可以通过仔细分析得到答案。（有时候，这会被误报为“希子终结了宇宙”。For example, Huffington Post/Reuters）。质量大约在125 – 127 GeV值域内的希子似乎非常接近分割稳定区域与亚稳定区域的边界。更明确答案仍需等待更准确地测量顶夸克的极点质量（pole mass）。

假若测量希子得到的结果建议，宇宙的真空是一种假真空（false vacuum），则这意味着当今宇宙的作用力、粒子、架构可能不再存在，在几十亿年之后，可能会被另外一种宇宙全盘替代，假若它能够成核。准确测量顶夸克质量可能需要新一代高端精密的正负电子对撞机

- 研究真空能量：真空能量指的是真空所含有的能量密度。有些物理学者认为，真空能量的一部分是由希格斯场给出数值大于零的真空能量趋向于扩展宇宙。天文学者发现，宇宙呈加速膨胀。他们估算，真空能量密度大约为10-4电子伏特每立方公分。但是，理论数值是这实验结果的10120倍。这差异称为真空灾变，是当今物理理论的重大瑕疵。为什么理论数值如此庞大？从研究希格斯场和其所载有的能量，可以帮助了解真空能量。

## 实验探索

如同其它带质量粒子（例如，顶夸克、W及Z玻色子）的衰变行为，希子会在非常短暂时间内衰变成其它粒子，因此无法做实验直接观测到希子。但是，标准模型精确地预言所有可能衰变方式与其对应或然率，假若能够仔细检验碰撞的衰变产物，就可以追踪希子的生成与衰变。1980年代，随着不断发展的粒子加速器的建成，实验探索开始释出关于希子的讯息。

由于假定存在的希子的可能质量值域非常宽广，需要建造很多尖端设施来进行实验探索。这包括功能强大的粒子加速器、侦测。另外，还需要高功能电脑设施来处理与分析大量数据。所有可能质量都必须一个值域一个值域的仔细检验，逐渐缩紧探索范围。

实验探索的当前目标是找到可能是希子的粒子。假若能够找到这粒子，下一步是仔细研究其性质，查明是否与标准模型预言的希子性质相同。假若性质相同，则可以证实新粒子的确是希子；否则，可能是生成截面不同，或者是衰变分支比（branching ratio）不同，那么就必须将标准模型加以修正。

### 早期限制

1970年代早期，关于希子存在的限制屈指可数。从核子物理实验、中子星实验、中子散射（neutron scattering）实验，并没有观测到与希子相关的效应，因此可以推论出这些限制，它们排除希子质量少于18.3MeV。

### 早期对撞机现象学

1970年代中期，一些探讨希子怎样从粒子碰撞实验中显露出来的理论研究报告开始出现。可是，撰写这些报告的物理学者，并没有对实际找到希子寄予很大的期望，他们警告：

我们或许应该带着歉意与谨慎结束这篇论文。我们对于实验者表示抱歉，因为我们尚未搞清楚希子的质量……我们不清楚希子与其它粒子之间的耦合，我们只知道这些耦合很小。因此，我们不愿意鼓励进行大规模实验来探索希子，但是我们觉得，有些实验可能会遭遇到希子，做这些实验的人们应该知道希子会怎样出现。

在那时，物理学者没有任何关于希子质量的线索。理论分析只给出了一个从10GeV到1000GeV的非常宽广的值域，没有给出任何指示应该往哪里探索。

### 大型正负电子对撞机

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在1989年大型正负电子对撞机（LEP）开始运作以前，实验探索只能在质量低于几个GeV的值域寻找希子。最初，大型正负电子对撞机将电子与正电子分别加速至45.5GeV，质心能量大约为Z 玻色子的质量91GeV。后来，又逐步增加能量，于2000年达到209GeV。

大型正负电子对撞机主要是通过希子制动辐射制造希子与Z玻色子：

$e^+ e^- \to Z H$。

其中，$e^+$、$e^-$、$Z$、$H$ 分别是正电子、电子、Z玻色子、希子。

假若质量低于135GeV，希子最常衰变为底夸克反底夸克对，因此，大型正负电子对撞机主要寻找的最终态拓扑为

- $Z\to f \overline{f}, \qquad H\to b\overline{b}$。
- $Z\to \nu \overline{\nu}, \qquad H\to b\overline{b}$。

其中，$f$、$b$、$\nu$ 分别为费米子、底夸克、微中子，反粒子标记为上方加横杠的对应粒子符号。

到公元2000年为止，大型正负电子对撞机并没有找到希子的确切存在证据，这是因为它的专长是精密测量粒子的性质。月球绕着地球公转时，它的引力所造成的潮汐现象，会使得大型正负电子对撞机粒子轨道的总长度（~27km）每天延伸或收缩达1mm，这么微小的差异也能够被大型正负电子对撞机够测量得到。根据大型正负电子对撞机所收集到的数据，标准模型希子的质量下限被设定为114.4GeV，置信水平95%。这实验曾经侦测到一些特别值得注意的超额事件。这些事件可以被诠释为质量约为115GeV（稍微大于下限截止值质量）的希子事件，可惜由于事件数量不够，无法做定论。为了要建筑下一代对撞机大型强子对撞机，于2000年，大型正负电子对撞机停止运作。大型正负电子对撞机停止运作。兆电子伏特加速器与大型强子对撞机仍旧继续这种缩小与排除可能值域的方法。

### 兆电子伏特加速器

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费米实验室的兆电子伏特加速器将质子束与反质子束分别加速至980GeV，在CDF侦测器和DØ侦测器里对撞，然后研究所有发生的物理现象，这包括寻找希子。在质量低于135GeV值域，由于量子色动力学背景噪声太大，不能采用胶子融合（$gg\to H\to b\overline{b}$）为侦测途径，最灵敏的侦测途径是通过希子制动辐射制成希子

$p\overline{p}\to WH$。

$p\overline{p}\to ZH$。

其中，$p$ 是质子。

希子、W玻色子或Z玻色子分别会衰变为

$H \to b\overline{b}$。

$W \to \ell\overline{\nu}_{\ell}$。

$Z \to \ell\overline{\ell}$。

其中，$\ell$ 是轻子，$\nu$ 是微中子。

借着W玻色子或Z玻色子的轻子衰变，可以滤除量子色动力学背景噪声，筛选出 $b\overline{b}$ 讯号。

对于希子衰变，产物的质量越大，则耦合常数越强（呈线性或平方关系）。因此，在遵守质能守恒的前提下，它比较倾向于衰变为质量较大的粒子。在质量高于135GeV值域，主要的衰变模式为

$H \to W^+W^-$。

对于这种衰变模式，兆电子伏特加速器是靠着希子制动辐射制造希子，另外，还靠着胶子融合制造希子：

$gg \to H$。

其中，$g$ 是胶子。

2010年1月，CDF实验团队和DØ实验团队宣布，所搜集到的数据足以排除希子的质量在162-166GeV以内，置信水平95%。同样实验团队于2010年7月表示，排除希子的质量在158-175GeV以内，置信水平95%。

2011年7月发表结果，延伸这排除值域至156-177GeV，置信水平95%；另外，在值域125-155GeV内，发现少许超额事件（大约1个标准差）。

2011年12月22日，DØ实验团队发表有关最小超对称标准模型（Minimal Supersymmetric Standard Model， MSSM）希子的的最严限制：对于 90-300 GeV 希子质量，已设定产生MSSM希子的tanβ上限；特别是对于 180 GeV 以下的的希子质量，排除 tanβ>20-30（tanβ是两个希格斯二重态真空期望值的比率）。

2012年7月2日，DØ与CDF实验团队宣布，进一布分析使他们更加有信心。他们排除希子的质量在100-103GeV、147-180GeV以内，置信水平95%。在能量115–140GeV之间区域，超额事件的统计显著性为2.5个标准差，这对应于在550次事件中，有一次事件是归咎于统计涨落。这结果仍旧未能达到5个标准差，因此不能够作定论。

历经多年运作，兆电子伏特加速器只能对于更进一步排除希子质量值域做出贡献，由于能量与亮度无法与建成的大型强子对撞机竞争，于2011年9月30日除役。

### 大型强子对撞机

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大型强子对撞机与兆电子伏特加速器都是重子对撞机，它们的运作性质很类似。重子对撞机所遇到的问题比大型正负电子对撞机复杂。由于涉及到的质子是复合粒子，而不是单纯的电子和正电子，重子对撞机要处理更多其它物理过程所造成的背景事件。

大型强子对撞机可以将两个相互对撞的质子束分别加速至4TeV，更高的能量可以观测到更多的物理现象。大型强子对撞机主要是靠着胶子融合制造希子：

$gg \to H$。

其中，$g$ 是胶子。

前段所叙述的希子制动辐射（WH或ZH）也是重要机制，另外，还有弱玻色子融合、顶夸克融合。

假若质量大于200GeV，则希子主要会衰变为两个W玻色子或Z玻色子，这些规范玻色子又会轻子衰变：

$H \to W^+W^-\to\ell^+\nu\ell^-\nu$。

$H \to ZZ\to\ell^+\ell^-\ell^+\ell^-$。

假若质量小于120GeV，则希子主要的衰变道为

$H \to \gamma\gamma$。

$H \to b\overline{b}$。

$H \to \tau^+\tau^-$。

其中，$\gamma$ 是光子，$\tau$ 是陶子。

在这5种衰变道之中，比较重要的是“双光子道”（$H \to \gamma\gamma$）和“四轻子道”（$H \to ZZ$），从这些衰变道可以准确地测量出粒子质量。由于W玻色子会轻子衰变成一个轻子与对应的微中子，而微中子无法被侦测，所以，$WW$ 道的衰变轻子能量讯号比较宽广。虽然 $b\overline{b}$ 道的截面很高，由于量子色动力学背景噪声也很高，必须特别处理伴随的W玻色子或Z玻色子衰变数据，才能观测到正确的 $b\overline{b}$ 讯号。

2008年9月10日，大型强子对撞机正式开始调试运作。9天后，在暖机过程时，发生磁体失超事件，使得收集实验数据被迫延迟14个月至2009年11月。工程师调查出肇因是磁铁与磁铁之间电接连缺陷，引起机械性损毁与氦气被释入大型强子对撞机隧道。修理耗费了几个月时间，电路缺陷侦测系统与快速失超控制系统的功能也被大幅度提升。

自2010年3月30日开始3.5 TeV粒子束能量运作之后，大型强子对撞机越加紧锣密鼓地进行数据搜集与分析。

到2011年7月为止，从超环面仪器实验得到的结果，排除标准模型希子的质量在155-190GeV以内，置信水平95%；从紧凑缈子线圈实验得到的结果，排除标准模型希子的质量在149-206GeV以内，置信水平95%。超环面仪器实验团队在同报告里表示，可能已侦测到希子的踪迹，在低质量值域120−140GeV，侦测到超额事件，大约超过背景数量期望值2.8个标准差。

12月13日，超环面仪器实验团队和紧凑缈子线圈实验团队发布对希子的阶段性侦测结果：“如果希子存在，则其质量应在115-130GeV（超环面仪器）或117-127GeV（紧凑缈子线圈）质量范围以内,

95%置信水平；另外，超环面仪器在质量范围125-126GeV侦测到超额事件，统计显著性为3.6个标准差，紧凑缈子线圈在质量范围124GeV侦测到超额事件，统计显著性为2.6个标准差。现在仍然需要搜集更多实验数据，“是否发现”的官方确认至少还要等到2012年11月大型强子对撞机的下一次运作完成以后。搜集到的实验数据并不足以证实这些超额事件是否是归因为背景涨落（即随机际遇或其他原因）。由于统计显著性并不够大，尚无法做结论或甚至正式当作一个观察事件。但是，两个独立实验都在同样质量附近检测出超额事件，这事实使得粒子物理社团极其振奋。期望能够在检验完毕2012年的碰撞数据之后，于明年年底排除或确认标准模型希子的存在。CMS团队发言人吉多·桐迺立（Guido Tonelli）表示：“统计显著性不够大，无法做定论。直到今天为止，我们所看到的与背景涨落或与玻色子存在相符合。更仔细的分析与这精心打造的巨环在2012年所贡献出的更多数据必定会给出一个答案。”。

2012年7月2日，超环面仪器实验团队发表2011年实验数据分析，排除希子的质量在111.4-116.6GeV、119.4-122.1GeV、129.2-541GeV以内，置信水平95%，又在质量126GeV附近检测出超额事件，统计显著性为2.9个标准差。

### 发现新玻色子

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费曼图展示，被紧凑缈子线圈侦测到的低质量（～125GeV）可能候选希子的最干净制成与衰变道。对于这质量，最主要制成机制是胶子融合──两个胶子经由一个夸克圈融合成希子。左图是“双光子道”：希子经由一个夸克圈衰变为两个光子。右图是“四轻子道”：希子衰变为两个Z玻色子，每一个Z玻色子又轻子衰变为一个轻子与一个反轻子（电子或缈子）。对于这些衰变道所做的分析达到统计显著性为5个标准差，若加上规范玻色子融合道，则分析达到统计显著性为4.9个标准差。

2012年6月22日，欧洲核子研究组织发表声明，将要召开专题讨论会与新闻发布会，报告关于寻找希子的最新研究结果。不消一刻，谣言传遍了新闻媒体，记者们与一些物理学者纷纷猜测欧洲核子研究组织是否会正式宣布证实希子存在。

7月4日，欧洲核子研究组织举行专题讨论会与新闻发布会宣布，紧凑缈子线圈发现质量为125.3GeV的新玻色子，标准差为4.9；超环面仪器发现质量为126.5GeV的新玻色子标准差为4.6。物理学者认为这两个粒子可能就是希子。欧洲核子研究组织的所长说：“从一个外行人的角度来说，我们已经发现希子了；但从一个内行人的角度来说，我们还需要更多的数据。”

一旦将其它种类的紧凑缈子线圈相互作用纳入计算，这两个实验达到局部统计显著性5个标准差──错误几率低于百万分之一。在新闻发布之前很长一段时间，两个团队彼此之间不能互通讯息，这样才能确保每一个团队得到的结果不会受到另一个团队的影响而发生任何偏差，这也可以让两个团队各自独立得到的研究结果可以彼此相互核对。

如此规格的证据，通过两个被隔离团队与实验的独立确定，已达到确定发现所需要的正式标准。欧洲核子研究组织的治学态度非常严谨，不愿意引人非议；欧洲核子研究组织表明，新发现的粒子与希子相符，但是物理学者尚未明确地认定这粒子就是希子，仍旧需要更进一步搜集与分析数据才能够做定论。换句话说，从实验观测显示，新发现的玻色子可能是希子，很多物理学者都认为非常可能是希子，现在已经证实有一个新粒子存在，但仍旧需要更进一步研究这粒子，必需排除这粒子或许不是希子的任何可疑之处。

7月31日，欧洲核子研究组织的紧凑缈子线圈小组和超环面仪器小组分别提交了新的侦测结果的论文，将这种疑似希子的粒子的质量确定为紧凑缈子线圈的125.3 GeV（统计误差：±0.4、系统误差：±0.5、统计显著性：5.8个标准差）和超环面仪器的126.0 GeV（统计误差：±0.4、系统误差：±0.4、统计显著性：5.9个标准差）。

2013年3月14日，欧洲核子研究组织发布新闻稿表示，先前探测到的新粒子是希子。

## 统计学术语

本篇文章使用到一些统计学术语。为了便利读者了解这些术语，现特别加以解释。

- 背景：在寻找新物理现像时，实验者会将实验结果与已成立理论的预期结果加以比较，这已成立理论的预期结果就是“背景”。假若，在实验结果里，某种事件实例的出现次数多过应该出现于背景的次数，则这可能就是找到新物理现像的证据。
- 置信水平：实验结果在某值域内出现的几率称为置信水平。例如，假设X粒子的质量值域为大于114.4 GeV，置信水平95%，则做100次X粒子质量实验，其中有95次会测量到其质量为大于114.4 GeV。
- 超额事件：假若，在实验结果里，某种事件的出现多过应该出现于背景的数量，则称此为超额事件。经过仔细分析，假若超额事件的统计显著性越高，则实验者越能肯定这超额事件所代表的新物理现像不是随机事件。
- 排除值域：假若，经过分析实验结果显示，某粒子的质量不太可能在某值域内，则可以排除在这质量值域内发现这粒子。这动作可以缩小粒子的存在范围。当寻找尚未被发现的粒子时，排除值域是一种很优良的方法。

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- 标准差数量：做实验获得的数据与零假设之间的相异程度可以用标准差数量来量度，在这里，单位是标准差。例如，在粒子物理学里，可以设定零假设为不存在新粒子，假若实验数据与零假设的理论结果，两者之间出现显著性差异，则可以推翻零假设，宣布备择假设成立──发现新粒子。通常，相异程度必须达到5个标准差，才算是“发现新粒子”。所以，假若实验数据与零假设的理论结果，两者之间的差异为5个标准差，则可以推翻零假设，宣布发现新粒子。零假设的理论结果是只靠背景所造成的结果，而不是靠背景加新粒子物理所造成的结果。如右图所示，假若相异程度能达到3个标准差（表示出现值得仔细检验的证据），则只靠背景来造成这结果的几率低于0.3%；假若相异程度能达到5个标准差，则只靠背景来造成这结果的几率低于百万分之一，也就是说，靠背景加新粒子物理来造成这结果的几率非常高。