·希格斯玻骰子發(fā)覺于2012年，是粒子化學(xué)學(xué)研究中的一件劃時(shí)代的大事。它在粒子化學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”中起關(guān)鍵性作用，通過神秘的對(duì)稱性破缺機(jī)制給基本粒子帶來(lái)質(zhì)量，和深?yuàn)W詭譎的量子真空息息相關(guān)，也被覺得在宇宙演變的極初期起重要作用。在希格斯玻骰子發(fā)覺十華誕之際，文章將從科普視角出發(fā)，描畫希格斯玻骰子的理論背景、粒子特點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)偵測(cè)、研究現(xiàn)況和展望，揭露希格斯玻骰子的神秘面紗，理解它的過去、現(xiàn)在和未來(lái)。
1、引言
粒子化學(xué)學(xué)研究物質(zhì)世界的最基本組成成份及其互相作用規(guī)律，探求基本粒子間的微觀“小宇宙”，追求對(duì)一系列根本問題的理解：物質(zhì)究竟有沒有究級(jí)的不可再分的最小單元？基本粒子之間的互相作用有什么？形成互相作用的根本緣由是哪些？哪些是時(shí)間空間的本性？
從古埃及時(shí)期的原子論，到現(xiàn)代的量子熱學(xué)，直到基于量子場(chǎng)論的粒子化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，人類從哲學(xué)到科學(xué)，結(jié)合理論與大量實(shí)驗(yàn)發(fā)覺，逐漸構(gòu)建起了一套對(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)否認(rèn)的基本粒子是希格斯玻骰子。它在媒體中常被戲稱為“上帝粒子”，其對(duì)應(yīng)的希格斯場(chǎng)被覺得是基本粒子的質(zhì)量來(lái)源，有舉足輕重的地位。粒子化學(xué)學(xué)中還有眾多重大科學(xué)問題有待探究，如暗物質(zhì)本性、宇宙正反物質(zhì)不對(duì)稱、中微子質(zhì)量等等。
希格斯玻骰子于2012年被發(fā)覺[1，2]，直接促使提出該粒子假定[3—5]的理論學(xué)屋內(nèi)的彼得·希格斯與弗朗索瓦·恩格勒獲得2013年的諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)。對(duì)希格斯粒子的研究是粒子化學(xué)學(xué)中的一個(gè)重要方向，自此由搜救模式步入了檢測(cè)模式。科學(xué)家希望通過更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)考量這一潛藏于微觀世界深處的新事物，期盼發(fā)覺它與新數(shù)學(xué)的聯(lián)系。
2022年正值希格斯玻骰子發(fā)覺十華誕，本文將從如下幾個(gè)方面展開：理論背景、希格斯玻骰子的特點(diǎn)、希格斯粒子的實(shí)驗(yàn)偵測(cè)，以及希格斯化學(xué)研究的現(xiàn)況和展望。
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)任法國(guó)核子研究中心所長(zhǎng)的化學(xué)學(xué)家RolfHeuer即將宣布：經(jīng)過數(shù)六年的探求，數(shù)千名科學(xué)家在小型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)上發(fā)覺了希格斯玻骰子。希格斯玻骰子是化學(xué)學(xué)家在理解粒子化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型過程中的最后一塊拼圖，有了希格斯玻骰子，粒子化學(xué)學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型也就完整了。
粒子化學(xué)學(xué)覺得觀測(cè)到的所有物質(zhì)是由基本粒子組成的。標(biāo)準(zhǔn)模型覺得世界上有三種帶電輕子：電子、繆子和陶輕子，它們參與電磁和弱互相作用。世界上有三種不帶電的中微子，它們只參與弱互相作用。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。夸克是基本粒子，它們不能進(jìn)一步分割。標(biāo)準(zhǔn)模型覺得世界上有六種夸克(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)互相作用。量子場(chǎng)論覺得物質(zhì)的互相作用是通過媒介玻骰子傳遞的：電磁互相作用通過光子傳遞。我們曉得依照量子熱學(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。弱互相作用，比如核子的β衰變，是由W、Z玻骰子傳遞的。強(qiáng)互相作用是通過膠子傳遞的。隨著1995年日本費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)覺了頂夸克，以上這種基本粒子都早已被發(fā)覺。
在上述的互相作用中，弱互相作用為什么這么之“弱”，是粒子化學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)重要問題。諸如，作為一種不穩(wěn)定粒子，繆子的壽命相對(duì)十分長(zhǎng)，究其緣由是繆子的衰變來(lái)自于弱互相作用，該作用硬度低，所以衰變不易發(fā)生。最早對(duì)弱互相作用的理論闡釋是費(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)域顯得不自洽。并且這個(gè)理論方式上和費(fèi)曼、施溫格以及朝永振一郎的量子電動(dòng)熱學(xué)迥然不同，讓理論化學(xué)學(xué)家不禁指責(zé)，是否還有一個(gè)更統(tǒng)一的理論來(lái)描述基本互相作用。
量子電動(dòng)熱學(xué)描述電磁互相作用，在這個(gè)理論中量子化的光子場(chǎng)傳遞互相作用。電磁勢(shì)的規(guī)范變換，賦于了這個(gè)理論所謂的U(1)規(guī)范對(duì)稱性。物理上看，U(1)對(duì)稱性相當(dāng)于單位圓上的復(fù)數(shù)加法。規(guī)范對(duì)稱性的深刻看法被用于研究其他基本互相作用。蓋爾曼提出了新的基本粒子——夸克，它們是核子的組成部份。蓋爾曼覺得物理單位分子量子夸克，假如夸克存在一個(gè)新的數(shù)學(xué)自由度物理單位分子量子夸克，即三種“顏色”，這么夸克模型可以拿來(lái)描述核子譜。夸克參與強(qiáng)互相作用，在蓋爾曼的理論中，強(qiáng)互相作用是通過膠子傳遞的。楊—米爾斯理論，即非阿貝爾規(guī)范理論，被拿來(lái)描述強(qiáng)互相作用，并發(fā)展為量子色動(dòng)力學(xué)。三種顏色對(duì)應(yīng)著物理上的SU(3)規(guī)范對(duì)稱性。
“四費(fèi)米子”理論與量子電動(dòng)熱學(xué)以及量子色動(dòng)力學(xué)都不同，這個(gè)理論中沒有傳播互相作用的媒介粒子，也沒有規(guī)范對(duì)稱性。量子電動(dòng)熱學(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)更普適的理論取代。一種嘗試是用楊—米爾斯理論描述弱互相作用，引入新的規(guī)范玻骰子，來(lái)描述弱互相作用。但是，弱互相作用是一種很弱的近程力，傳遞弱互相作用的規(guī)范玻骰子必須是有質(zhì)量的，這一點(diǎn)和量子電動(dòng)熱學(xué)及色動(dòng)力學(xué)都不同。量子電動(dòng)熱學(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)范玻骰子質(zhì)量，無(wú)法得到一個(gè)自洽的規(guī)范理論。
要在楊—米爾斯理論的框架下建立弱互相作用模型，全新的數(shù)學(xué)看法是必不可少的。這兒成功的看法是自發(fā)對(duì)稱性破缺與希格斯機(jī)制。格拉肖、溫伯格、薩拉姆分別提出了電弱統(tǒng)一看法，將電磁互相作用與弱互相作用統(tǒng)一在楊—米爾斯理論框架之中。直接打破這些統(tǒng)一性，引入規(guī)范玻骰子質(zhì)量，如前所述，在理論上是十分困難的。此處，自洽的建模方法是，引入自發(fā)對(duì)稱性破缺。也就是說(shuō)，在統(tǒng)一的楊—米爾斯理論中，互相作用并不直接打破規(guī)范對(duì)稱性，但量子場(chǎng)的能級(jí)打破了規(guī)范對(duì)稱性。
在我們的宏觀世界中，自發(fā)對(duì)稱性破缺雖然并不罕見。溫度下吸鐵石的能級(jí)有自發(fā)磁化，一根條形吸鐵石一端N極，一端S極，兩端的極性破壞了條形吸鐵石的對(duì)稱性。注意電磁互相作用本身不破壞對(duì)稱性，但條形吸鐵石的能級(jí)有兩個(gè)，體系選擇其中一個(gè)能級(jí)，自發(fā)地破壞了對(duì)稱性。在量子場(chǎng)論中，類似于吸鐵石的模型，一個(gè)所謂的標(biāo)量場(chǎng)可能也有多個(gè)能級(jí)，這么化學(xué)體系的能級(jí)選擇自發(fā)地破壞了對(duì)稱性。這兒即將引入的標(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)能方式[6]
通常而言，場(chǎng)論中自發(fā)對(duì)稱性破缺，因?yàn)樗^的戈德斯通機(jī)制，會(huì)形成無(wú)質(zhì)量的標(biāo)量粒子。這么構(gòu)造粒子化學(xué)模型，盡管把電磁互相作用、弱互相作用都引入到了楊—米爾斯理論的框架，但無(wú)質(zhì)量的標(biāo)量粒子從來(lái)沒有在實(shí)驗(yàn)上發(fā)覺過，這仍然是理論上的疑難。希格斯機(jī)制最終解決了這個(gè)疑難：原本無(wú)質(zhì)量的規(guī)范玻骰子吸收“吃掉”了自發(fā)對(duì)稱性破缺形成的無(wú)質(zhì)量的標(biāo)量粒子。這樣清除了無(wú)質(zhì)量標(biāo)量粒子，同時(shí)又賦于了弱互相作用規(guī)范玻骰子質(zhì)量，說(shuō)明了弱互相作用是一種弱的近程力。從理論基礎(chǔ)上看，希格斯機(jī)制是電弱互相作用統(tǒng)一的關(guān)鍵一步。
在具體的模型建立中，怎樣選擇正確的對(duì)稱性和破缺方法，對(duì)于預(yù)測(cè)新粒子的種類與互相作用是極其重要的。溫伯格和薩拉姆選擇了SU(2)×U(1)對(duì)稱群以及一對(duì)復(fù)希格斯場(chǎng)。這對(duì)復(fù)希格斯粒子場(chǎng)的能級(jí)，會(huì)破壞SU(2)×U(1)對(duì)稱性，僅存的U(1)對(duì)稱性對(duì)應(yīng)著電磁互相作用。被破缺的3個(gè)對(duì)稱性，因?yàn)橄８袼箼C(jī)制，造成形成了三個(gè)有質(zhì)量的規(guī)范玻骰子，分別是W+、W-和Z玻骰子。這三個(gè)粒子傳遞近程的弱互相作用。一對(duì)復(fù)希格斯場(chǎng)中的三個(gè)化學(xué)自由度被W和Z吞掉，剩下的惟一一個(gè)數(shù)學(xué)自由度對(duì)應(yīng)的量子場(chǎng)論迸發(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)通過湯川機(jī)制耦合。在希格斯機(jī)制中，希格斯場(chǎng)的能級(jí)等效地變?yōu)榱四切┪镔|(zhì)粒子的質(zhì)量參數(shù)。淺顯地說(shuō)，希格斯場(chǎng)給與了基本粒子質(zhì)量。溫伯格與薩拉姆的電弱統(tǒng)一與自發(fā)對(duì)稱性破缺模型，加上描述強(qiáng)互相作用的量子色動(dòng)力學(xué)，構(gòu)成了粒子化學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。
慢慢地，實(shí)驗(yàn)化學(xué)學(xué)家偵測(cè)和發(fā)覺了標(biāo)準(zhǔn)模型中不僅希格斯粒子外的所有基本粒子。幾六年來(lái)，只有希格斯玻骰子躲開了所有偵測(cè)它的嘗試——直到2012年7月4日，日內(nèi)瓦西歐核子研究中心即將宣布希格斯玻骰子被發(fā)覺，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載流子為零的基本粒子。
標(biāo)準(zhǔn)模型被覺得是完整的，但還有好多問題都遠(yuǎn)未得到解答。
3、希格斯粒子的特點(diǎn)
作為一個(gè)基本粒子，希格斯粒子也有其獨(dú)到的量子參數(shù)。作為自然界基本粒子中惟一的標(biāo)量玻骰子，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言，其載流子為0、宇稱為正。標(biāo)準(zhǔn)模型的希格斯機(jī)制除了賦于了W、Z規(guī)范玻骰子的質(zhì)量，也決定了其與標(biāo)準(zhǔn)模型中其他基本粒子的互相作用。希格斯粒子作為一個(gè)玻骰子是相當(dāng)活躍的，可以與費(fèi)米子以及其他規(guī)范玻骰子形成互相作用。具體來(lái)說(shuō)，希格斯粒子與費(fèi)米子互相作用的耦合硬度與費(fèi)米子的質(zhì)量成反比，因此在標(biāo)準(zhǔn)模型里希格斯粒子與質(zhì)量最大的頂夸克的互相作用最強(qiáng)，與電子的互相作用耦合硬度最弱。而在標(biāo)準(zhǔn)模型里中微子沒有質(zhì)量，因此希格斯粒子不與中微子形成互相作用。希格斯粒子與費(fèi)米子的互相作用也被稱為湯川耦合，也正是從這一互相作用中，費(fèi)米子獲得了質(zhì)量。希格斯粒子與有質(zhì)量的W、Z玻骰子之間存在規(guī)范互相作用，而與無(wú)質(zhì)量的光子和膠子沒有互相作用。據(jù)悉，希格斯粒子與自身也會(huì)形成互相作用，包括三希格斯粒子和四希格斯粒子耦合，被稱為希格斯粒子的自互相作用。
值得一提的是，希格斯粒子幾乎所有的數(shù)學(xué)特點(diǎn)均由理論預(yù)言，惟獨(dú)其質(zhì)量是一個(gè)自由參數(shù)，須要由實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)。而正由于希格斯粒子質(zhì)量的不確定性，實(shí)驗(yàn)學(xué)家們耗費(fèi)了巨大的時(shí)間和精力來(lái)找尋這一粒子，由于她們須要像大海撈針一樣在未知的質(zhì)量區(qū)間去找尋可能的希格斯粒子訊號(hào)。希格斯粒子的質(zhì)量似乎是一個(gè)自由參數(shù)，但它卻與希格斯粒子的自互相作用耦合常數(shù)存在關(guān)聯(lián)性，兩者只要能確定其二，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)量長(zhǎng)度或衰變長(zhǎng)度。根據(jù)理論預(yù)言，一旦質(zhì)量確定了，其質(zhì)量長(zhǎng)度也急劇確定了，而質(zhì)量長(zhǎng)度決定了粒子的壽命。2012年發(fā)覺的希格斯粒子，其質(zhì)量大概是125GeV，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，但是在于它與超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新數(shù)學(xué)以及宇宙學(xué)等存在深刻的聯(lián)系。一個(gè)典型的事例是矢量玻骰子之間的互相作用。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言，矢量玻骰子之間可以發(fā)生散射過程，其散射振幅包含了希格斯粒子與矢量玻骰子之間的耦合。估算表明，假若沒有希格斯粒子參與，這個(gè)散射振幅與入射粒子對(duì)的剛體能量平方成反比。這意味著在沒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)有新的化學(xué)現(xiàn)象出現(xiàn)。盡管希格斯粒子的出現(xiàn)可以防止這一發(fā)散的發(fā)生，但這只是諸多可能性的一種，并沒有理由覺得沒有其他的超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新化學(xué)會(huì)參與這一矢量玻骰子的散射過程。上面提及，希格斯粒子是弱互相作用自發(fā)對(duì)稱破缺的重要參與者，這一相變過程發(fā)生在宇宙演變的極初期。而希格斯粒子的自互相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)稱性破缺的相變過程，意味著希格斯粒子與宇宙演變有著深刻的聯(lián)系。
希格斯玻骰子與其他粒子的互相作用為化學(xué)學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)起來(lái)找尋希格斯粒子指明了方向。按照它與其余粒子的互相作用，希格斯粒子可以在高能量對(duì)撞機(jī)中形成下來(lái)，例如LHC。LHC可以將質(zhì)子加速到極高的能量，質(zhì)子—質(zhì)子質(zhì)情系能量可以達(dá)到14TeV。LHC上希格斯粒子的形成模式比較復(fù)雜，估算表明，其主要形成模式是膠子—膠子融合過程，形成截面的占比約80%，其他形成模式依次是玻骰子融合、玻骰子伴隨以及頂夸克對(duì)伴隨形成過程。事實(shí)上，LHC上希格斯粒子的總形成截面是可觀的，因而LHC實(shí)際是一個(gè)“希格斯玻骰子鞋廠”。
其實(shí)在LHC里能形成大量的希格斯玻骰子，但希格斯粒子的壽命非常短暫以至于其形成頓時(shí)就衰變了。如同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。因?yàn)橄８袼沽Ｗ邮只钴S，其衰變機(jī)理也相當(dāng)?shù)膹?fù)雜。化學(xué)學(xué)家們用衰變的機(jī)率，也就是衰變分支比，來(lái)評(píng)判粒子發(fā)生某種特定衰變過程的難易程度。希格斯粒子的衰變分支比取決于幾個(gè)相應(yīng)的化學(xué)參數(shù)，比如希格斯粒子的質(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)粒子之間的耦合硬度等。一旦希格斯粒子的質(zhì)量確定了，這么它在LHC上各類形成過程的截面和各個(gè)衰變末態(tài)的分支比就相應(yīng)地確定了(圖2)[7]。例如對(duì)于質(zhì)量為125GeV的希格斯玻骰子，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玻骰子(23%)，其他各個(gè)玻骰子或費(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)上希格斯玻骰子的形成截面(a)和衰變分支比(b)[7]
事實(shí)上，在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到希格斯粒子的訊號(hào)是非常復(fù)雜和具有挑戰(zhàn)性的一項(xiàng)任務(wù)。因?yàn)橄８袼沽Ｗ泳哂胁煌男纬珊退プ兡Ｊ剑瑑烧呖梢匀我饨M合，就意味著有好多的途徑去找尋希格斯粒子訊號(hào)。形成的截面越高，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例子，反之就越少，如圖2所示。據(jù)悉，希格斯粒子的衰變末態(tài)是須要通過實(shí)驗(yàn)儀器來(lái)偵測(cè)到的，不同末態(tài)粒子的偵測(cè)方式和難易程度也相差很大。例如對(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)偵測(cè)上去愈加困難。讓找尋希格斯粒子的任務(wù)愈發(fā)繁重的是，LHC除了是一個(gè)希格斯鞋廠，它就會(huì)形成數(shù)據(jù)量更大的其他化學(xué)過程，例如頂夸克形成過程、矢量玻骰子形成過程等，但是實(shí)驗(yàn)儀器偵測(cè)到的數(shù)據(jù)是那些不同的化學(xué)過程混雜在一起的。要從海量的數(shù)據(jù)里找尋出希格斯粒子的訊號(hào)，用“大海撈針”來(lái)描述并非夸張。
4、實(shí)驗(yàn)偵測(cè)
如前所述，希格斯粒子的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常稀有，須要從海量的噪音中如“大海撈針”一般去找尋它，加之它的質(zhì)量無(wú)確定預(yù)言，這種誘因給找尋工作帶來(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)覺(2012年)，長(zhǎng)達(dá)近半個(gè)世紀(jì)，這也從側(cè)面反映了實(shí)驗(yàn)偵測(cè)的堅(jiān)苦卓著。
實(shí)驗(yàn)上，科學(xué)家借助粒子加速器將常見的易獲取的粒子(如電子、質(zhì)子)加速到很高能量，之后轟擊靶材料(打靶實(shí)驗(yàn))，或則與另外一束高能粒子相向?qū)ε?對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn))，形成微觀粒子世界的互相作用。只要?jiǎng)傮w能量足夠，互相作用初始條件合適，就有可能形成可觀的科學(xué)家們感興趣的微觀現(xiàn)象(即訊號(hào)過程)。其實(shí)，例如希格斯玻骰子這樣的不穩(wěn)定粒子幾乎立刻衰變，最終觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)包含的雖然都是相對(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，這樣看似尋常的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)中蘊(yùn)藏著我們孜孜求索的訊號(hào)的痕跡。偵測(cè)這種實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可以獲得與訊號(hào)過程相關(guān)的數(shù)學(xué)結(jié)果。下邊描述實(shí)驗(yàn)偵測(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。科學(xué)家一般借助強(qiáng)電場(chǎng)來(lái)加速帶電粒子，形成醫(yī)用X射線的大型電子加速器寬度在米量級(jí)，而要觸摸到希格斯玻骰子所在的電弱化學(xué)能標(biāo)，直線加速器的厚度得在十公里量級(jí)。假如參與反應(yīng)的粒子只有小部份能量轉(zhuǎn)換為目標(biāo)粒子的質(zhì)量，則實(shí)際加速能量須要更高，加速寬度須要更長(zhǎng)，在適宜的條件下，常常采用環(huán)型加速器。粒子在圓圈中循環(huán)往復(fù)地加速和儲(chǔ)存，等待時(shí)機(jī)參與粒子間的互相作用。LHC是目前最大的環(huán)型加速器，周歷時(shí)27km。這樣的巨型設(shè)施須要的是全世界之合力，且合并的不僅僅是人力智慧，還包括各類尖端技術(shù)，如用于加速的超導(dǎo)射頻腔、偏轉(zhuǎn)準(zhǔn)直的超導(dǎo)吸鐵石和控制檢測(cè)的超快抗幅射電子學(xué)系統(tǒng)等。
其次，須要極度大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)才可探究如希格斯玻骰子這樣的稀有現(xiàn)象。我們曉得，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)上確切檢測(cè)這種分布，能夠探求其背后的深刻數(shù)學(xué)，而要確切獲得分布的概貌其實(shí)須要大統(tǒng)計(jì)量的重復(fù)實(shí)驗(yàn)。另外，微觀世界的反應(yīng)是非常復(fù)雜的，例如在LHC上，高能質(zhì)子—質(zhì)子對(duì)碰形成的是一個(gè)“萬(wàn)花筒”，每朵“花”對(duì)應(yīng)一個(gè)反應(yīng)過程，有不同的出現(xiàn)機(jī)率。包含希格斯玻骰子的反應(yīng)過程的出現(xiàn)機(jī)率非常低，低至每每質(zhì)子—質(zhì)子互相作用約一百億次，才會(huì)出現(xiàn)一次希格斯玻骰子。正是由于這種誘因，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)叫積分色溫)，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，防止差錯(cuò)。
最后，依賴高精度的偵測(cè)與精湛的數(shù)據(jù)剖析就能獲得數(shù)學(xué)結(jié)果。上面說(shuō)過，大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)后，極少數(shù)的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)中才有可能有訊號(hào)的蹤跡，科學(xué)家借助小型但又精密的偵測(cè)器去全面捕獲末態(tài)的信息。如希格斯玻骰子那樣的目標(biāo)粒子誕生于實(shí)驗(yàn)反應(yīng)的時(shí)間、坐標(biāo)零點(diǎn)，但頃刻即逝，最終衰變產(chǎn)物次級(jí)粒子吞沒在動(dòng)輒數(shù)百粒子的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)中。為此，偵測(cè)器必須有能力追蹤每一個(gè)末態(tài)粒子，并確切檢測(cè)它的路徑、能量、種類等信息，最終我們借助這種信息探尋零點(diǎn)發(fā)生了哪些(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)的一次偵測(cè)。探源知著的總體科學(xué)目標(biāo)促使對(duì)這種檢測(cè)的精度要求十分苛刻，誕生與發(fā)展了一系列先進(jìn)的偵測(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、地球鉆探，幅射偵測(cè)等。大統(tǒng)計(jì)量的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)集合減去每位末態(tài)對(duì)應(yīng)的大量偵測(cè)器信息，構(gòu)成了一個(gè)真正意義上的大數(shù)據(jù)集。科學(xué)家們當(dāng)心翼翼地舉辦大數(shù)據(jù)剖析，對(duì)比模擬數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)，應(yīng)用來(lái)自偵測(cè)器和來(lái)自理論估算的修正因子，巧妙地借助化學(xué)規(guī)律設(shè)計(jì)篩選條件來(lái)壓制噪音，增強(qiáng)訊號(hào)偵測(cè)的明顯程度。經(jīng)過反復(fù)磨煉的數(shù)據(jù)剖析最終給出可靠的數(shù)學(xué)推論和令人信服的偏差剖析。
圖3LHC上ATLAS實(shí)驗(yàn)偵測(cè)到的一次希格斯粒子衰變?yōu)殡p繆子實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)的圖象展示。白色徑跡為繆子，圖中展示了部份偵測(cè)器結(jié)構(gòu)(圖片來(lái)源：法國(guó)核子中心)
受限于篇幅，關(guān)于實(shí)驗(yàn)偵測(cè)的更深入的介紹難以展開，但筆者希望如上的描述能幫助讀者從大方向上掌握實(shí)驗(yàn)偵測(cè)的宏大精妙之處。討論完這種基本環(huán)節(jié)過后，下邊詳盡描述希格斯粒子的探求歷程。
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)找尋的起點(diǎn)大體可以溯源回1975年附近。那時(shí)，通過對(duì)低能核化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行剖析，并借助低能強(qiáng)子對(duì)撞，科學(xué)家在兆電子伏和吉電子伏區(qū)間對(duì)希格斯玻骰子進(jìn)行找尋，即便并沒有找到其存在的征兆，因而推斷它的質(zhì)量應(yīng)當(dāng)在這個(gè)能量段之上。
時(shí)間來(lái)到了小型對(duì)撞機(jī)時(shí)代中的20世紀(jì)90年代，科學(xué)家們重點(diǎn)在法國(guó)核子研究中心的小型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(LEP)以及澳洲費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)子—反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)()上找尋希格斯玻骰子。LEP運(yùn)行到千禧年而后停機(jī)改導(dǎo)致LHC，而運(yùn)行到2011年。LEP上沒有找到希格斯玻骰子的征兆，給出了質(zhì)量下限114GeV，而上的數(shù)據(jù)剖析到2011年也未有發(fā)覺，排除了156—177GeV區(qū)間。考慮到最終發(fā)覺希格斯玻骰子的質(zhì)量為125GeV，可以說(shuō)這兩次嘗試都很接近，但因?yàn)闅v史的碰巧性，是不辛運(yùn)的。LEP受限于對(duì)撞能量，而受限于統(tǒng)計(jì)量。
值得一提的是，現(xiàn)象學(xué)研究對(duì)找尋希格斯玻骰子來(lái)說(shuō)非常重要。考慮標(biāo)準(zhǔn)模型是基于量子場(chǎng)論的一個(gè)可重正化理論，它決定了希格斯玻骰子的質(zhì)量與電弱理論中的其他許多數(shù)學(xué)量之間有內(nèi)在聯(lián)系，精確檢測(cè)這種化學(xué)量(如W玻骰子質(zhì)量等)可以間接限制希格斯玻骰子的質(zhì)量。在發(fā)覺希格斯玻骰子的前夕，這樣的研究給出了質(zhì)量的最可期區(qū)間120—130GeV。
希格斯玻骰子的發(fā)覺定格在2012年7月4號(hào)，LHC上的小型國(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)覺了疑似希格斯玻骰子的粒子。發(fā)覺該粒子主要采用了偵測(cè)靈敏度最高的希格斯玻骰子衰變到雙Z玻骰子、雙光子以及雙W玻骰子末態(tài)。以雙Z玻骰子最終衰變到4個(gè)帶電輕子末態(tài)為例，真正測(cè)得的希格斯玻骰子屈指可數(shù)，但該末態(tài)雜訊挺好，因而統(tǒng)計(jì)上非常重要；這種訊號(hào)是在近1013倍于己身的噪音數(shù)據(jù)集中發(fā)覺的！在粒子化學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，發(fā)覺新粒子常常敘述成：真實(shí)數(shù)據(jù)以幾倍高斯標(biāo)準(zhǔn)誤差的明顯度否決了沒有訊號(hào)存在的假定檢驗(yàn)。2012年的發(fā)覺于單個(gè)實(shí)驗(yàn)都是5倍標(biāo)準(zhǔn)誤差統(tǒng)計(jì)明顯度，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)覺具有劃時(shí)代的意義，它幫助彌補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖，致使標(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。早期的研究發(fā)覺這個(gè)新粒子基本符合期盼已久的希格斯玻骰子，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
希格斯玻骰子的發(fā)覺具有里程碑意義，2012年以后，希格斯化學(xué)時(shí)代自然就將至了：這樣一個(gè)新生的神秘的“舊”事物值得仔細(xì)考量，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(如雙玻骰子散射過程)，以及研究它和新數(shù)學(xué)(如暗物質(zhì))的關(guān)聯(lián)等。希格斯化學(xué)研究成為當(dāng)下粒子化學(xué)學(xué)的一個(gè)核心方向。從2012年的8TeV對(duì)撞剛體能量往前，LHC的質(zhì)子—質(zhì)子對(duì)撞能量繼續(xù)增強(qiáng)到13—13.6TeV，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。六年后的明天，獲得的希格斯粒子數(shù)量相較2012年下降了近15倍，科學(xué)家們陸續(xù)驗(yàn)證了它的標(biāo)量粒子特點(diǎn)、它與一系列基本粒子(頂夸克、底夸克、Z玻骰子、W玻骰子、陶輕子、繆子)的耦合，并將一些主要希格斯過程的檢測(cè)精度提高至10%[8，9]。
科學(xué)家們大體早已認(rèn)可了這個(gè)希格斯玻骰子確實(shí)是標(biāo)準(zhǔn)模型須要的那種粒子。希格斯化學(xué)研究的未來(lái)也許會(huì)更加多樣化：繼續(xù)探求LHC實(shí)驗(yàn)上可觀的希格斯過程，精確檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言；充分借助LHC實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)探求稀有希格斯化學(xué)過程，如希格斯玻骰子與更輕費(fèi)米子的耦合、其自耦合，以及其不可見衰變等，以期發(fā)覺異常，闡明其與新數(shù)學(xué)現(xiàn)象的關(guān)系；探求希格斯玻骰子在宇宙演變、真空電弱相變中的作用，闡述可能的互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)等等。如今是希格斯數(shù)學(xué)的第一個(gè)六年，希望第二個(gè)、第三個(gè)六年時(shí)會(huì)有新的興奮人心的發(fā)覺。
參考文獻(xiàn)
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[9]CMS.，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)學(xué)院粒子科學(xué)技術(shù)研究中心和核偵測(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)學(xué)院交叉學(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)。)