2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)解讀——希格斯機(jī)制的發(fā)明與希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)

劉建北 劉衍文 趙政國

2013年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了弗朗索瓦·恩格勒特和彼得·希格斯，因?yàn)椤八麄冊(cè)诶碚撋习l(fā)明了一種機(jī)制，解釋了基本粒子的質(zhì)量起源，并且其預(yù)言的一個(gè)自旋為零的粒子被位于歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的ATLAS和CMS兩個(gè)實(shí)驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)，從而在實(shí)驗(yàn)上確認(rèn)了該機(jī)制［1］”。在粒子物理學(xué)中，這一解釋基本粒子質(zhì)量起源的機(jī)制被稱之為希格斯機(jī)制，而其預(yù)言的那個(gè)零自旋的粒子被稱之為希格斯粒子。

本文首先簡(jiǎn)要介紹粒子物理，然后解釋希格斯機(jī)制及其預(yù)言的希格斯粒子，以及它們?cè)诹Ｗ游锢碇械闹匾?，最后講述希格斯粒子是如何在實(shí)驗(yàn)上被發(fā)現(xiàn)的。

1.粒子物理和標(biāo)準(zhǔn)模型

粒子物理是一門研究構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子及其相互作用的科學(xué)，換句話說，就是研究亞原子層次微觀世界中物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以及其產(chǎn)生、湮滅和相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律。我們?cè)诹Ｗ游锢韺W(xué)中的所有知識(shí)可以基本總結(jié)為一個(gè)稱之為標(biāo)準(zhǔn)模型的理論，它代表了我們目前對(duì)微觀世界的最深層次的認(rèn)識(shí)水平。標(biāo)準(zhǔn)模型是上世紀(jì)下半葉在眾多實(shí)驗(yàn)和理論粒子物理學(xué)家合作努力下發(fā)展起來的一個(gè)基于規(guī)范量子場(chǎng)論的理論，在實(shí)驗(yàn)上確認(rèn)了夸克的存在后，其理論結(jié)構(gòu)于上世紀(jì)70年代被最終確立。標(biāo)準(zhǔn)模型自建立以來經(jīng)受住了大量實(shí)驗(yàn)的精確檢驗(yàn)，其各種預(yù)言也均被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，成為了當(dāng)今粒子物理學(xué)的理論核心。

標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)微觀世界中的基本粒子進(jìn)行了歸納和分類，這些粒子不可再分，并且每種粒子都具有包括質(zhì)量、電荷和自旋等在內(nèi)的各種固有屬性。圖1展示了標(biāo)準(zhǔn)模型中的所有基本粒子以及它們的多種屬性。我們周圍的所有物質(zhì)由自旋為1/2的費(fèi)米子構(gòu)成。這些費(fèi)米子呈現(xiàn)出兩種基本類型：夸克（Quark）和輕子（Lepton）,每種類型又有六種粒子，并且成對(duì)地分為三組，每一組稱之為一代，所以一共有三代夸克和三代輕子。第一代夸克由上夸克（u)和下夸克(d)組成,第二代由粲夸克(c)和奇異夸克(s)組成，第三代則包含頂夸克(t)和底夸克(b)。三代輕子分別為：第一代的電子(e)和電子中微子（νe），第二代的繆子(μ)和繆子中微子(νμ),以及第三代的τ粒子(τ)和τ中微子（ντ) 。以上的這種代屬關(guān)系在圖1中得到了形象體現(xiàn)，其中，在每代夸克或輕子中，居于圖中相對(duì)靠上位置的粒子稱之為上分量，靠下的稱之為下分量。不同代的夸克或輕子的質(zhì)量差別比較大，例如第三代上分量夸克-頂夸克的質(zhì)量約是第一代上分量夸克-上夸克的近8萬倍，第三代輕子中的τ粒子比第一代中的電子重約3500倍，而輕子中的中微子則被普遍認(rèn)為只具有極小的質(zhì)量。夸克帶有分?jǐn)?shù)電荷，每代夸克中上分量帶+2/3的電子電荷，下分量帶-1/3的電子電荷；每代輕子中的上分量帶一個(gè)電子電荷，而下分量的中微子為電中性。

在標(biāo)準(zhǔn)模型中，以上這些費(fèi)米子通過交換被稱之為規(guī)范玻色子的基本粒子發(fā)生相互作用，按強(qiáng)度由強(qiáng)到弱，共有強(qiáng)相互作用、電磁相互作用和弱相互作用等三種基本相互作用，對(duì)應(yīng)的規(guī)范玻色子分別為右圖上所示的膠子(g)、光子(γ)和Z及W粒子,自旋均為1。當(dāng)兩個(gè)費(fèi)米子交換規(guī)范玻色子時(shí)，每個(gè)費(fèi)米子都受到影響，其效果即為作用在雙方的“力”，規(guī)范玻色子就如同傳遞這種力的媒介，因此，規(guī)范玻色子也被稱之為媒介子。當(dāng)然，這種圖象只是對(duì)粒子相互作用的一種形象解讀。按照作為標(biāo)準(zhǔn)模型理論基礎(chǔ)-規(guī)范量子場(chǎng)論的語言，每種基本粒子都對(duì)應(yīng)了彌散在整個(gè)宇宙中的某種“場(chǎng)”，粒子實(shí)質(zhì)上是這種場(chǎng)處在激發(fā)狀態(tài)的表現(xiàn)，費(fèi)米子場(chǎng)通過規(guī)范玻色子場(chǎng)相互耦合，從而發(fā)生相互作用。不同費(fèi)米子參與的相互作用種類不盡相同，夸克參與以上所有三種基本相互作用，上分量輕子參與電磁相互作用和弱相互作用，中微子則只參與弱相互作用。宇宙當(dāng)中的所有穩(wěn)定物質(zhì)僅由第一代夸克和輕子，即上、下夸克和電子，組成，其他不穩(wěn)定的物質(zhì)經(jīng)過上述三種相互作用中的一種或多種最終都會(huì)變成穩(wěn)定物質(zhì)。此外，自然界中還存在引力相互作用，但在粒子物理的微觀層面上，由于相比其他相互作用其強(qiáng)度很弱，因此通常被忽略。

除以上費(fèi)米子和規(guī)范玻色子外，標(biāo)準(zhǔn)模型還預(yù)言了一個(gè)自旋為0的基本粒子，稱之為希格斯粒子（H）。它在標(biāo)準(zhǔn)模型中具有非常獨(dú)特和重要的地位，第2節(jié)對(duì)此將進(jìn)行專門介紹。

綜上所述，在粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中，我們對(duì)客觀世界在最基本層面上的圖景可以概括為以下兩點(diǎn)：1、物質(zhì)是由包括夸克和輕子在內(nèi)的自旋為1/2的費(fèi)米子構(gòu)成；2、費(fèi)米子之間的相互作用通過自旋為1的規(guī)范玻色子傳遞，共有強(qiáng)弱不等的三種。

最后值得一提的是，雖然粒子物理研究的是最微觀世界的規(guī)律，但隨著物理學(xué)的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)微觀領(lǐng)域中的粒子物理與宏觀領(lǐng)域中的天體物理和宇宙學(xué)密切相關(guān)，很多天體物理和宇宙學(xué)中的根本問題，如暗物質(zhì)的本質(zhì)、正反物質(zhì)不對(duì)稱等，需要從粒子物理中尋找答案，由此衍生出了天體物理和宇宙學(xué)與粒子物理的交叉學(xué)科。

2.希格斯機(jī)制和希格斯粒子

物理學(xué)中的對(duì)稱性是指物理規(guī)律經(jīng)過某些變換保持不變的特性,分為時(shí)空對(duì)稱性和內(nèi)部對(duì)稱兩類。時(shí)空對(duì)稱性是指物理規(guī)律不會(huì)隨地點(diǎn)和時(shí)間不同而變化，不會(huì)在空間或時(shí)間平移,反演或空間轉(zhuǎn)動(dòng)下發(fā)生改變。內(nèi)部對(duì)稱性是指物理規(guī)律對(duì)某些不同的粒子是一樣的，將一個(gè)過程中的某種粒子換成另一種粒子，相互作用的規(guī)律不變。對(duì)稱性是物理學(xué)發(fā)展的主線，很多理論就是從對(duì)稱性的要求導(dǎo)出的，例如基于光速不變?cè)砗臀锢硪?guī)律在所有慣性系中都一樣的相對(duì)性原理導(dǎo)出狹義相對(duì)論。粒子物理中的標(biāo)準(zhǔn)模型理論也不例外。它建立在局域規(guī)范對(duì)稱性的基礎(chǔ)上，本質(zhì)上是一個(gè)量子化的規(guī)范場(chǎng)理論，在某些局域規(guī)范變換下保持不變。

標(biāo)準(zhǔn)模型中的電磁相互作用和弱相互作用由基于規(guī)范不變的電弱理論統(tǒng)一描述。局域規(guī)范對(duì)稱性要求所有傳遞相互作用的規(guī)范玻色子質(zhì)量為零。這與實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到傳遞弱相互作用的W和Z規(guī)范玻色子的質(zhì)量分別為80.3和91.2 Ge V/c2（c為光速，e V為能量單位，1 eV即一個(gè)電子經(jīng)過1伏特電壓獲得的能量，1 GeV = 106eV）這一事實(shí)明顯抵觸。因此，支配電弱相互作用的局域規(guī)范對(duì)稱性一定是破缺的。對(duì)稱性破缺的機(jī)制可以分作兩類：明顯破缺和自發(fā)破缺。明顯破缺就是在決定系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的拉氏量中直接引入不滿足對(duì)稱性的成分，使得運(yùn)動(dòng)規(guī)律本身不滿足對(duì)稱性。自發(fā)破缺是指物理系統(tǒng)所遵循的運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有某種對(duì)稱性，而物理系統(tǒng)本身不具有這種對(duì)稱性。換言之，系統(tǒng)的拉氏量具有對(duì)稱性，而系統(tǒng)的物理態(tài)不具有相應(yīng)的對(duì)稱性。

標(biāo)準(zhǔn)模型中的電弱相互作用的局域規(guī)范對(duì)稱性就是通過自發(fā)破缺機(jī)制被打破的。為解釋這種對(duì)稱性自發(fā)破缺，這里可以舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：假設(shè)復(fù)標(biāo)量場(chǎng)Φ=Φ1+iΦ2,其中,Φ1,iΦ2分別是時(shí)空四維坐標(biāo)(c t,x1,x2,x3)的實(shí)函數(shù)。設(shè)勢(shì)函數(shù)V(Φ*Φ)2=kΦ*Φ+λ((Φ*Φ)2),這個(gè)勢(shì)函數(shù)顯然滿足全局旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。即,將Φ替換為eiθΦ時(shí)，勢(shì)函數(shù)不變。當(dāng)k>0且λ>0時(shí)，勢(shì)能最小的態(tài),即真空態(tài)對(duì)應(yīng)于Φvac=0，這個(gè)真空態(tài)也具有全局旋轉(zhuǎn)不變性，即eiθΦvac仍然是真空態(tài)Φvac。當(dāng)k<0且λ>0時(shí)，自發(fā)對(duì)稱破缺就會(huì)發(fā)生。此時(shí)令k=-μ2,勢(shì)函數(shù)與Φ的實(shí)部和虛部的關(guān)系為如圖2所示墨西哥帽的形狀。

可以看到，系統(tǒng)的最低能量態(tài)不再是Φ=0,而是在帽子的谷底的無窮多個(gè)簡(jiǎn)并的態(tài)。當(dāng)取定任何一個(gè)為真空態(tài)Φvac,經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換后的eiθΦvac,除了Φ為2π的整數(shù)倍的特殊情況外，變成了能量最低態(tài)中的另一個(gè)態(tài), 而不再是Φvac。系統(tǒng)的真空態(tài)不具有勢(shì)函數(shù)所具有的全局旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，即對(duì)稱性自發(fā)破缺了。

早在1930年代，郎道就用墨西哥帽形式的熱動(dòng)力學(xué)勢(shì)函數(shù)V=A(T)+b（T-Tc）(M·M)+c(M·M）2來描述鐵磁體的相變,式中為T溫度；Tc為臨界溫度；M為磁化強(qiáng)度；A(T)是溫度的函數(shù)，與磁化強(qiáng)度無關(guān)；b,c都是正的常數(shù)。當(dāng)溫度高于臨界溫度時(shí)，鐵磁體內(nèi)部的原子自旋方向雜亂無章，具有空間旋轉(zhuǎn)不變性，宏觀表現(xiàn)沒有磁性。當(dāng)溫度低于臨界溫度時(shí)，鐵磁體內(nèi)部的原子自旋指向某個(gè)特定的方向，不再具有空間轉(zhuǎn)動(dòng)不對(duì)稱性了。此時(shí)勢(shì)函數(shù)呈現(xiàn)墨西哥帽的形式，能量最低態(tài)位于墨西哥帽谷底任何一點(diǎn)，空間轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱性自發(fā)破缺了。

1964年，弗郎斯瓦·恩格勒和羅伯特·布繞特于8月，緊接著，彼得·希格斯于10月，隨后杰拉德·克拉尼，卡爾·哈根和湯姆·基博爾于11月，分別獨(dú)立地發(fā)表論文，提出了規(guī)范對(duì)稱性自發(fā)破缺機(jī)制。這個(gè)機(jī)制引入了四個(gè)實(shí)函數(shù),構(gòu)成一個(gè)復(fù)的二重態(tài):勢(shì)函數(shù)

這個(gè)墨西哥帽形狀的勢(shì)函數(shù)使得真空態(tài)的期待值不等于零，造成對(duì)稱性自發(fā)破缺，并產(chǎn)生三個(gè)自旋為0且無質(zhì)量的玻色子，和一個(gè)自旋為0且有質(zhì)量的玻色子。這一對(duì)稱性破缺的機(jī)制即是我們所說的希格斯機(jī)制。

1967年史蒂文·溫伯格和阿卜杜勒·薩拉姆各自獨(dú)立應(yīng)用希格斯機(jī)制成功實(shí)現(xiàn)了電弱相互作用中的規(guī)范對(duì)稱性的破缺，傳遞弱相互作用的W和Z規(guī)范玻色子在吸收了對(duì)稱性破缺中產(chǎn)生的三個(gè)無質(zhì)量的玻色子后具有了質(zhì)量，而破缺中產(chǎn)生的有質(zhì)量的玻色子被留下來了，即我們所說的希格斯粒子。另外，局域規(guī)范對(duì)稱性要求費(fèi)米子的質(zhì)量也必須是零，但費(fèi)米子通過與希格斯機(jī)制中引入的二重態(tài)H相互作用，在經(jīng)過對(duì)稱性自發(fā)破缺后也獲得了質(zhì)量。

希格斯機(jī)制在標(biāo)準(zhǔn)模型中非常重要,因?yàn)楦鞣N有質(zhì)量的基本粒子正是通過它才獲得了質(zhì)量，從而使得標(biāo)準(zhǔn)模型成為能夠描述我們客觀世界的理論。希格斯粒子作為希格斯機(jī)制中最顯著的信號(hào)，其存在與否成為驗(yàn)證電弱規(guī)范對(duì)稱性破壞機(jī)制的關(guān)鍵，因而對(duì)希格斯粒子的尋找成為近30年來粒子物理實(shí)驗(yàn)中最重要的任務(wù)。

3.希格斯粒子在實(shí)驗(yàn)上的發(fā)現(xiàn)

為了尋找希格斯粒子，破解電弱對(duì)稱破缺機(jī)制，人類建造了多個(gè)大型粒子對(duì)撞機(jī)，對(duì)撞能量不斷提高，從歐洲核子研究中心（CERN）的大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（LEP），到美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室的正負(fù)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（Tevatron）莫不是如此。對(duì)希格斯粒子的尋找前后持續(xù)了30余年，可謂是粒子物理實(shí)驗(yàn)中的偉大征程，凝聚了數(shù)代粒子物理研究者的不懈努力和付出。

希格斯粒子產(chǎn)生后在極短的時(shí)間內(nèi)即衰變，因而在實(shí)驗(yàn)中我們只能通過觀測(cè)它的衰變產(chǎn)物來尋找它，相應(yīng)地，實(shí)驗(yàn)上對(duì)希格斯粒子的尋找也是按照其衰變末態(tài)進(jìn)行分類的。希格斯粒子的質(zhì)量在標(biāo)準(zhǔn)模型中沒有預(yù)言，屬于未知參數(shù)，這無疑增加了希格斯粒子尋找的難度，決定了在實(shí)驗(yàn)上對(duì)希格斯粒子的尋找必須要覆蓋一個(gè)相當(dāng)大的質(zhì)量范圍。長期以來，在各種對(duì)希格斯粒子的直接尋找實(shí)驗(yàn)中，沒有發(fā)現(xiàn)任何希格斯粒子存在的顯著證據(jù)，只能排除希格斯粒子在某些質(zhì)量區(qū)間內(nèi)存在的可能性。LEP上的多個(gè)實(shí)驗(yàn)在多個(gè)衰變通道中對(duì)希格斯粒子進(jìn)行了直接尋找，最終在95%置信水平下給出了114.4 GeV/c2的希格斯粒子的質(zhì)量下限，而Tevatron上的實(shí)驗(yàn)在95%置信水平下排除了希格斯粒子在100-106 GeV/c2以及147-179 GeV/c2質(zhì)量區(qū)間內(nèi)存在的可能性。除這些對(duì)希格斯粒子的直接尋找外，我們還通過對(duì)精確電弱測(cè)量結(jié)果進(jìn)行全局?jǐn)M合來約束希格斯粒子的質(zhì)量，并得到158 GeV/c2的上限。值得一提的是，Tevatron上的實(shí)驗(yàn)在Tevatron停止運(yùn)行后的2012年宣布在分析所有采集的數(shù)據(jù)后，在115-140 GeV/c2質(zhì)量區(qū)間發(fā)現(xiàn)了疑似希格斯粒子衰變到正反底夸克對(duì)的跡象。不過以上觀測(cè)結(jié)果的顯著度都不高，不足以確立希格斯粒子的存在。

位于CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）[2]的建造標(biāo)志著對(duì)希格斯粒子的尋找進(jìn)入了新時(shí)代。LHC地處日內(nèi)瓦附近的瑞士和法國交界處地下約100米的深處，從1998年到2008年歷時(shí)10年建設(shè)完成，是世界上最強(qiáng)大的粒子對(duì)撞機(jī)，設(shè)計(jì)對(duì)撞能量為14 Te V（1 TeV= 1012eV），處于世界最高能量前沿。它可以加速并對(duì)撞兩束質(zhì)子或者重離子，重現(xiàn)在大爆炸之后宇宙剛剛產(chǎn)生時(shí)的條件，為我們深層次探索微觀世界提供了強(qiáng)有力的工具。在LHC上建造了多個(gè)大型粒子探測(cè)器，用來探測(cè)粒子對(duì)撞過程中產(chǎn)生的各種末態(tài)粒子，從而分析對(duì)撞中發(fā)生的物理過程，研究構(gòu)成我們物質(zhì)世界的最小基本粒子及支配它們之前相互作用的規(guī)律，并探索未知的新現(xiàn)象。ATLAS[3]和CMS[4]是LHC上最大的兩個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)，呈現(xiàn)為直徑分別約為22和15米，長度分別約為44和29米的圓柱形，如圖3和圖4所示，由內(nèi)往外分別有徑跡探測(cè)器、電磁量能器、強(qiáng)子量能器、磁鐵和繆子探測(cè)器等多個(gè)子系統(tǒng)，主要任務(wù)是尋找希格斯粒子和探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理現(xiàn)象。象ATLAS和CMS這樣的現(xiàn)代粒子物理實(shí)驗(yàn)中的探測(cè)器系統(tǒng)可以看成是一個(gè)巨大的“顯微鏡兼照相機(jī)”，能夠捕捉并記錄高能粒子對(duì)撞中產(chǎn)生的各種以近光速飛行的末態(tài)粒子的活動(dòng)，測(cè)量這些粒子的電荷，動(dòng)量以及質(zhì)量，并鑒別這些粒子的種類，如電子，繆子，τ子，光子和其他中性粒子等，使得我們能“看到”在極其微小和快速的粒子對(duì)撞中發(fā)生了什么。希格斯粒子的產(chǎn)生在LHC上的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞中屬于稀有過程，其他過程的發(fā)生的頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于希格斯粒子的產(chǎn)生。這樣導(dǎo)致的結(jié)果是，為了能在LHC上找到希格斯粒子的信號(hào)，探測(cè)器系統(tǒng)必須要做到能夠在LHC上質(zhì)子質(zhì)子對(duì)撞過程中產(chǎn)生的每千億個(gè)事例中挑選出一個(gè)事例。為達(dá)到這一要求，ATLAS和CMS的建造采用了當(dāng)今世界上最先進(jìn)的探測(cè)器和電子學(xué)技術(shù)，并匯集了來自世界各地近萬名科學(xué)家和工程師耗時(shí)近10年才完成。

LHC在2010年3月首次實(shí)現(xiàn)了質(zhì)心系能量為7 TeV的質(zhì)子質(zhì)子對(duì)撞，遠(yuǎn)高于以往任何高能對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，標(biāo)志著希格斯粒子尋找新時(shí)代的開啟。LHC的初始運(yùn)行計(jì)劃是持續(xù)在7 TeV運(yùn)行直到2010年底，然后進(jìn)行近2年的機(jī)器維修，為14 TeV的全能量運(yùn)行做好準(zhǔn)備。但在2011年初，CERN修改了初始計(jì)劃，決定只在2011年底安排一個(gè)短暫的技術(shù)停機(jī)，然后運(yùn)行LHC至2012年底。在2011年底，ATLAS和CMS利用在LHC上所采集到7 TeV對(duì)撞能量下約5 fb-1（fb-1是表征數(shù)據(jù)采集量的單位，1 fb-1近似對(duì)應(yīng)1012次質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞）的數(shù)據(jù)，分別在希格斯粒子到γγ和ZZ兩個(gè)衰變通道中，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量約為125 GeV/c2左右的粒子存在的跡象，顯著度超過2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，如果將多個(gè)衰變通道合并，顯著度將分別達(dá)到3.6和2.6倍標(biāo)準(zhǔn)偏差（顯著度表示假定沒有希格斯粒子的情況下，由本底事例漲落產(chǎn)生出觀測(cè)結(jié)果的概率，當(dāng)一個(gè)滿足正態(tài)高斯分布的隨機(jī)變量偏離平均值的概率等于這個(gè)概率時(shí)，其偏移量折算為這個(gè)正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差的倍數(shù)即為這里的顯著度數(shù)值，顯然，顯著度越大，這種概率越小，因而所觀測(cè)到結(jié)果為假信號(hào)的可能性也就越小，從而為真實(shí)信號(hào)的可信性就越高）。通常我們將達(dá)到3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差顯著度的觀測(cè)結(jié)果稱之為存在新現(xiàn)象的跡象，而只有在達(dá)到或超過5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的情況下，才能宣布發(fā)現(xiàn)了一種新現(xiàn)象。這個(gè)具有約3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差顯著度的觀測(cè)結(jié)果導(dǎo)致CERN作出了一項(xiàng)影響希格斯發(fā)現(xiàn)歷程的重要決定：在2012年將LHC對(duì)撞能量由7 TeV提高到8 TeV。對(duì)撞能量的提高將增大希格斯粒子的產(chǎn)生概率，從而提高在LHC上發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的靈敏度。事實(shí)證明以上各項(xiàng)對(duì)LHC運(yùn)行計(jì)劃修改的決定大大提早了希格斯粒子的最終發(fā)現(xiàn)。

在LHC 8-TeV運(yùn)行僅約半年后，我們迎來了一個(gè)在希格斯粒子尋找征程中劃時(shí)代的特殊日子——2012年7月4日。這一天值得紀(jì)念并將永載科學(xué)史冊(cè)，之所以如此，是因?yàn)楫?dāng)天CERN舉行了一場(chǎng)特殊的學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)，在報(bào)告會(huì)上ATLAS和CMS兩大實(shí)驗(yàn)宣布在希格斯粒子尋找的實(shí)驗(yàn)中各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)量約為125 GeV/c2的新粒子，顯著度水平接近或達(dá)到5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，由于其具體屬性還需進(jìn)一步確認(rèn)，因而被稱為類希格斯玻色子。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)獨(dú)立地觀測(cè)到了具有相似質(zhì)量的粒子的顯著的信號(hào)，這大大增強(qiáng)了所觀測(cè)到的信號(hào)的真實(shí)性。這一重大發(fā)現(xiàn)標(biāo)志了人類在尋找希格斯粒子近30年的艱辛歷程中終于取得了突破，也正因?yàn)榇耍?月4日被很多人稱之為希格斯獨(dú)立日。這一天的報(bào)告會(huì)在當(dāng)時(shí)正在澳大利亞墨爾本舉行的國際高能物理大會(huì)(ICHEP)上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)直播，并吸引了世界眾多媒體的跟蹤報(bào)道，掀起了一股“希格斯”風(fēng)。完成這一類希格斯粒子發(fā)現(xiàn)所使用的數(shù)據(jù)量為2011年全年采集的約5 fb-1的7-TeV數(shù)據(jù)和2012年上半年采集的約5 fb-1的8-TeV數(shù)據(jù)。ATLAS和CMS基于這些數(shù)據(jù)的最終結(jié)果分別發(fā)表在了同一期的Physics Letter B期刊上[5]，這兩篇文章也成為了LHC上乃至粒子物理實(shí)驗(yàn)史上的代表作。ATLAS和CMS發(fā)表的在這一發(fā)現(xiàn)中觀測(cè)到一個(gè)類希格斯粒子的顯著度與希格斯粒子假定質(zhì)量的關(guān)系。在質(zhì)量為125 GeV/c2附近，ATLAS在近6倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的顯示度下觀測(cè)到了一個(gè)新粒子，而CMS也在5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的高顯著度下觀測(cè)到了同樣一個(gè)粒子。

至2012年底，ATLAS和CMS又分別采集到了約15 fb-1的8-TeV數(shù)據(jù)。基于所有7-TeV和8-TeV的數(shù)據(jù),并通過進(jìn)行更深入的分析，ATLAS和CMS所觀察到的類希格斯粒子的顯著度水平達(dá)到了7倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，進(jìn)一步確認(rèn)了新發(fā)現(xiàn)的粒子。于此同時(shí)，兩大實(shí)驗(yàn)還分析了這一粒子的多種屬性，包括信號(hào)強(qiáng)度、耦合及自旋和宇稱等，結(jié)果表明，所觀測(cè)的各種屬性在測(cè)量誤差范圍內(nèi)均于標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言一致。因此，在2013年3月舉行的Moriond高能物理會(huì)議上，在LHC上發(fā)現(xiàn)的新粒子由類希格斯粒子被改稱為希格斯粒子。

在ATLAS和CMS兩個(gè)實(shí)驗(yàn)上，對(duì)希格斯粒子觀測(cè)靈敏度最高的兩個(gè)衰變通道為H→γγ和H→ZZ→4l(l表示電子或繆子)，他們也是在希格斯粒子發(fā)現(xiàn)中起著決定性作用的兩個(gè)通道。此外，H→WW→lvlv（v表示與l在同一代的中微子）通道也具有較高的靈敏度，兩大實(shí)驗(yàn)在此通道均已在超過3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差顯示度下觀測(cè)到了希格斯粒子的跡象。但是以上衰變通道均為玻色子末態(tài)，而標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的希格斯粒子與費(fèi)米子也有耦合，因此，在費(fèi)米子衰變末態(tài)中觀測(cè)希格斯粒子對(duì)于驗(yàn)證所發(fā)現(xiàn)的粒子是否是標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的希格斯粒子具有十分重要的意義。ATLAS利用約20 fb-1的8-TeV數(shù)據(jù)，對(duì)H→τ+τ-衰變進(jìn)行了尋找，結(jié)果在4倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的顯著度水平下觀測(cè)到了質(zhì)量約為125 GeV/c2的希格斯粒子的信號(hào)。CMS在這一衰變通道中也觀測(cè)到了一定相對(duì)本底事例的超出。這些觀測(cè)表明了希格斯粒子與費(fèi)米子耦合的跡象，是向深入研究希格斯粒子邁進(jìn)的重要一步。此外，ATLAS和CMS兩大實(shí)驗(yàn)還在包括H→bb，H→μ+μ-等費(fèi)米子衰變通道中對(duì)粒子進(jìn)行了尋找，以及在其他稀有衰變通道中進(jìn)行了尋找。雖然由于受目前所采集的有限數(shù)據(jù)量的限制，在這些通道中均沒有看到希格斯粒子存在的明顯跡象，但這些尋找為未來在LHC上更全面深入研究希格斯粒子打下了重要基礎(chǔ)。

中國科學(xué)家在探測(cè)器的建造之初便參與了ATLAS和CMS實(shí)驗(yàn)。來自于中國科學(xué)院高能物理研究所，南京大學(xué)，山東大學(xué)，北京大學(xué)以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的眾多科學(xué)家和工程師參與了ATLAS和CMS探測(cè)器的建造工作，同時(shí)在數(shù)據(jù)分析方面對(duì)在H→γγ、H→ZZ→4l和H→WW→lvlv衰變通道中尋找希格斯粒子都做出了直接貢獻(xiàn)。

在經(jīng)歷了令人激動(dòng)的希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)后，LHC在2013年初停機(jī)，進(jìn)入了一個(gè)近2年的維修升級(jí)期，預(yù)期將在2015年恢復(fù)運(yùn)行并最終達(dá)到14-TeV的設(shè)計(jì)對(duì)撞能量，此外對(duì)撞亮度也將有好幾倍的提高達(dá)到1034/c m2/s的設(shè)計(jì)值。LHC在重新運(yùn)行后性能的巨大提升將產(chǎn)生更多更好的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞事例，為我們深入全面地研究新發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子提供絕佳條件。我們隨之也將由希格斯尋找轉(zhuǎn)入希格斯研究的時(shí)代，對(duì)希格斯粒子包括質(zhì)量、耦合、自旋和宇稱等在內(nèi)的各種屬性進(jìn)行細(xì)致測(cè)量，以確認(rèn)希格斯粒子的準(zhǔn)確身份，同時(shí)使用希格斯粒子作為橋梁探索可能的超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理現(xiàn)象，尋求粒子物理新的突破。

4.結(jié)語

標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了賦予基本粒子質(zhì)量的希格斯場(chǎng)的存在。至此，標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的基本粒子都被觀測(cè)到，這標(biāo)志著人類在認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的歷程中取得了巨大的成功。但這絕對(duì)不是粒子物理的終結(jié),相反我們還有很多問題無法用標(biāo)準(zhǔn)模型解釋。例如,天文和宇宙學(xué)觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)，標(biāo)準(zhǔn)模型就沒有合適的粒子作為它的組成單元；宇宙中正反物質(zhì)的比例顯著超出了標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)期；由于宇宙加速膨脹人們推測(cè)宇宙中彌漫著暗能量，標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)此也無法描述；作為四種基本相互作用之一的引力作用還未能納入到標(biāo)準(zhǔn)模型中等等。而這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子為我們探索更深層次的物理規(guī)律，解決以上諸多疑難打開了一扇難得的窗戶。粒子物理在今后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)的重要任務(wù)之一就是利用升級(jí)后的LHC和未來可能建造的更先進(jìn)的加速器深入全面地研究希格斯粒子的性質(zhì)及其與其他粒子的相互作用，以獲得更本質(zhì)和更深刻的物理規(guī)律的線索。

參考資料

[1]http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2013/.

[2]L.Evans and P. Bryant (Eds.), LHC Machine, JINST 3 (2008) S08001.

[3]ATLAS Collaboration，The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider,JINST 3 (2008) S08003.

[4]CMS Collaborat ion,“The CMS experiment at the CERN LHC”, JINST 3(2008) S08004.

[5]ATLAS Collaboration , Observation of a New Particle in the Search for the Standard Model Higgs Boson with the ATLAS Detector at the LHC, Phys. Lett. B 716 (2012)1-29；CMS Collaboration, Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC, Phys. Lett. B 716(2012) 30-61.