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希格斯玻色子
標(biāo)準(zhǔn)模型里的一種基本粒子
概述
本篇文章將希格斯玻色子簡稱為“希子”。
標(biāo)準(zhǔn)模型
在粒子物理學(xué)里，標(biāo)準(zhǔn)模型是一種被廣泛接受的框架，可以描述強(qiáng)力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子。除了引力以外，標(biāo)準(zhǔn)模型可以合理解釋這世界中的大多數(shù)物理現(xiàn)象。
早期的標(biāo)準(zhǔn)模型所倚賴的規(guī)范場論闡明，基本力是源自于規(guī)范不變性，是由規(guī)范玻色子來傳遞。規(guī)范場論嚴(yán)格規(guī)定，規(guī)范玻色子必須不帶有質(zhì)量，因此，傳遞電磁相互作用的規(guī)范玻色子（光子）不帶有質(zhì)量。光子的質(zhì)量的確經(jīng)實驗證實為零。借此類推，傳遞弱相互作用的規(guī)范玻色子（W玻色子、Z玻色子）應(yīng)該不帶有質(zhì)量，可是實驗證實W玻色子與Z玻色子的質(zhì)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(jī)制來賦予W玻色子、Z玻色子它們所帶有的質(zhì)量。
希格斯機(jī)制
在1960年代，幾位物理學(xué)者研究出一種機(jī)制，其能夠利用自發(fā)對稱性破缺來賦予基本粒子質(zhì)量，同時又不會抵觸到規(guī)范場論。這機(jī)制被稱為希格斯機(jī)制，希格斯機(jī)制已被實驗證實。但是，物理學(xué)者仍舊不清楚關(guān)于希格斯機(jī)制的諸多細(xì)節(jié)。
這機(jī)制假定宇宙遍布著希格斯場，其能夠與某些基本粒子相互作用，并且利用自發(fā)對稱性破缺使得它們獲得質(zhì)量。相關(guān)理論在70年代被納入粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。
衰變
希子是伴隨著希格斯場的帶質(zhì)量玻色子，是希格斯場的量子激發(fā)。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(jī)制也可被確認(rèn)為基本無誤。在那時期，雖然還沒有任何直接證據(jù)可以證實希格斯粒子存在，由于希格斯機(jī)制所給出的準(zhǔn)確預(yù)測，物理學(xué)者認(rèn)為，希格斯機(jī)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(xué)里最重要的未解決的物理學(xué)問題之一。
標(biāo)準(zhǔn)模型明確指出，希子的存在很難證實。與其它粒子相比較，制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，每一次碰撞制造出其它粒子的可能性比制造出希子的可能性大很多，即使希子被制成，它也會非常迅速地衰變成別的粒子（平均壽命為1.56×10s），因此難以被檢測到，只能倚靠辨認(rèn)與分析衰變產(chǎn)物，才可推斷出它們大概是源自于希子，而不是源自于其它粒子。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(jìn)的超級粒子加速器與精準(zhǔn)的探測器，物理學(xué)者才可觀測數(shù)之不盡的粒子碰撞事件，將獲得的紀(jì)錄數(shù)據(jù)加以分析，尋找出希子的蛛絲馬跡，然后再進(jìn)一步分析，計算希子存在的可能性，確定所得到的結(jié)果絕對不是來自偶發(fā)事件。
再華麗、再精致的理論，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(xué)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(shù)據(jù)只能讓他們判別希子是否可能存在于某個質(zhì)量值域。為了彌補(bǔ)這不足，歐洲核子研究組織在瑞士建成了大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）。它是全世界最先進(jìn)的粒子加速器。它的主要研究目標(biāo)之一就是證實希子是否存在。
2013年，LHC的物理學(xué)者已確定發(fā)現(xiàn)希子，這發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈支持某種希格斯場彌漫于空間。當(dāng)今，LHC仍舊在如火如荼地搜集數(shù)據(jù)，試圖明白希格斯場的性質(zhì)。
理論發(fā)展史
物理學(xué)者認(rèn)為物質(zhì)是由基本粒子組成，這些基本粒子彼此之間相互影響的基本力有四種。根據(jù)規(guī)范場論，為了滿足定域規(guī)范對稱性，必須引入傳遞基本力的規(guī)范玻色子。特別而言，傳遞電磁力的規(guī)范玻色子就是光子。1954年，楊振寧與羅伯特·米爾斯試圖將這關(guān)于電磁力的點子延伸至其他種基本力，他們提出了楊-米爾斯理論，但是規(guī)范場論預(yù)測規(guī)范玻色子的質(zhì)量必須為零，而零質(zhì)量玻色子傳遞的是類似電磁力的長程力，不適用于像弱核力或強(qiáng)核力一類的短程力。
怎樣才能夠使得傳遞短程力的規(guī)范玻色子獲得質(zhì)量？物理學(xué)者在凝聚態(tài)物理學(xué)的超導(dǎo)理論里找到重要暗示。1950年，俄國物理學(xué)者維塔利·金茲堡與列夫·郎道提出金茲堡-朗道理論，他們建議，在超導(dǎo)體里，彌漫著一種特別的場，能夠使得光子獲得有效質(zhì)量，但他們并沒有明確地描述這特別場。1957年，約翰·巴丁、利昂·庫珀、約翰·施里弗共同創(chuàng)建了BCS理論，他們認(rèn)為，由電子組成的庫珀對，形成了這特別場。規(guī)范對稱性被這特別場隱藏起來，因此造成自發(fā)對稱性破缺──雖然對稱性仍舊存在于描述這物理系統(tǒng)的方程，但是方程的某種解并不具有這對稱性。
南部陽一郎于1960年將自發(fā)對稱性破缺的概念引入粒子物理學(xué)。他建議，假定夸克與反夸克的質(zhì)量為零，則生成它們的能量成本很低，如同電子們在超導(dǎo)體里凝聚為庫珀對，它們會在真空里凝聚為夸克對，使得強(qiáng)相對作用的手征對稱性被打破，夸克會因此獲得質(zhì)量。他又指出，在這機(jī)制里，還會出現(xiàn)一種新的零質(zhì)量玻色子，即π介子，由于上夸克、下夸克的質(zhì)量不等于零，π介子的實際質(zhì)量不等于零，只是比其他種介子的質(zhì)量都輕很多。1962年，杰福瑞·戈德斯通提出戈德斯通定理，對于這類零質(zhì)量玻色子的性質(zhì)給予描述。根據(jù)這定理，當(dāng)連續(xù)對稱性被自發(fā)打破后必會生成一種零質(zhì)量玻色子，稱為戈德斯通玻色子。帶質(zhì)量粒子比較難制成，粒子加速器必須使用很高的能量來碰撞制成帶質(zhì)量粒子。零質(zhì)量粒子案例跟重質(zhì)量粒子案例不同，零質(zhì)量粒子很容易制成，或者可從缺失能量或動量推測其存在。然而，事實并非如此，物理學(xué)者無法做實驗找到其存在的任何蛛絲馬跡，這事實意味著整個理論可能有瑕疵。1963年，菲利普·安德森發(fā)表論文指出，對于非相對論性的超導(dǎo)體案例，假若是規(guī)范對稱性被打破，則不一定會出現(xiàn)戈德斯通玻色子，他進(jìn)一步猜測，這機(jī)制應(yīng)該可以加以延伸來處理相對論性案例，但他并沒有明確地給出一個相對論性案例。這論述遭到未來諾貝爾化學(xué)獎得主沃特·吉爾伯特強(qiáng)烈反對。
1964年，弗朗索瓦·恩格勒和羅伯特·布繞特領(lǐng)先于8月，緊接著，彼得·希格斯于10月，隨后，杰拉德·古拉尼、卡爾·哈庚和湯姆·基博爾于11月，這三個研究小組分別獨立地發(fā)表論文，宣布研究出相對論性模型。古拉尼于1965年、希格斯于1966年、基博爾于1967年，又分別更進(jìn)一步發(fā)表論文探討這模型的性質(zhì)。這三篇1964年論文共同表明，假若將局部規(guī)范不變性理論與自發(fā)對稱性破缺的概念以某種特別方式連結(jié)在一起，則規(guī)范玻色子必然會獲得質(zhì)量。1967年，史蒂文·溫伯格與阿卜杜勒·薩拉姆各自獨立地應(yīng)用希格斯機(jī)制來打破電弱對稱性，并且表述希格斯機(jī)制怎樣能夠并入稍后成為標(biāo)準(zhǔn)模型一部分的謝爾登·格拉肖的電弱理論。溫伯格指出，這過程應(yīng)該也會使得費米子獲得質(zhì)量。
關(guān)于規(guī)范對稱性的自發(fā)性破缺的這些劃時代論文，最初并沒有得到學(xué)術(shù)界的重視，因為大多數(shù)物理學(xué)者認(rèn)為，非阿貝爾規(guī)范理論是個死胡同，無法被重整化。1971年，荷蘭物理學(xué)者馬丁紐斯·韋爾特曼與杰拉德·特·胡夫特發(fā)表了兩篇論文，證明楊-米爾斯理論（一種非阿貝爾規(guī)范理論）可以被重整化，不論是對于零質(zhì)量規(guī)范玻色子，還是對于帶質(zhì)量規(guī)范玻色子。自此以后，物理學(xué)者開始接受這些理論，正式將這些理論納入主流。
從這些理論孕育出的電弱理論與改善后的標(biāo)準(zhǔn)模型，正確地預(yù)測了弱中性流、W玻色子、Z玻色子、頂夸克、粲夸克，并且準(zhǔn)確地計算出其中一些粒子的性質(zhì)與質(zhì)量。很多在這領(lǐng)域給出重要貢獻(xiàn)的物理學(xué)者后來都獲得了諾貝爾物理學(xué)獎與其它享有聲望的獎賞。發(fā)表于《現(xiàn)代物理評論》的一篇1974年文章表示，至今為止，這些理論推導(dǎo)出的答案符合實驗結(jié)果，但是，這些理論到底是否正確仍舊無法確定。權(quán)威著作《希格斯狩獵者指南》的作者指明，標(biāo)準(zhǔn)模型擁有驚人的成功?，F(xiàn)今，粒子物理學(xué)的核心問題就是了解希格斯區(qū)的相關(guān)理論。
物理評論快報1964年里程碑論文
六位物理學(xué)者分別發(fā)表的三篇論文，在《物理評論快報》50周年慶祝文獻(xiàn)里被公認(rèn)為里程碑論文。2010年，他們又榮獲理論粒子物理學(xué)櫻井獎。同年，在他們之間，又發(fā)生了一點爭執(zhí)，萬一因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎，由于每一年只能授予給三位杰出人士，而現(xiàn)在有六位人士做出了關(guān)鍵貢獻(xiàn)，到底應(yīng)該頒發(fā)物理學(xué)最榮譽(yù)的獎給哪三位人士？（結(jié)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(xué)獎。）
1964年8月，恩格勒團(tuán)隊發(fā)表了三頁論文，他們假定存在有復(fù)值標(biāo)量場（即希格斯場），其數(shù)值在量子真空里不等于零，然后使用費曼圖方法演示出規(guī)范玻色子怎樣獲得質(zhì)量。恩格勒團(tuán)隊并沒有提到任何關(guān)于希子的信息。稍后，希格斯獨立發(fā)表論文概述怎樣能夠應(yīng)用定域規(guī)范對稱性來回避戈德斯通定理，他并沒有給出模型明確顯示戈德斯通玻色子被抵銷。不久之后，希格斯發(fā)表第二篇論文，他更仔細(xì)的表述這回避方法，給出一個可行模型，并且用這模型演示出規(guī)范矢量場怎樣吃掉戈德斯通玻色子，因此獲得質(zhì)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，為什么同樣的學(xué)術(shù)刊物，會接受一篇關(guān)于“帶質(zhì)量規(guī)范玻色子可能存在”的論文，又會否絕一篇描述“帶質(zhì)量規(guī)范玻色子實際模型”的文章。希格斯不因此而氣餒，他又添加了一些內(nèi)容，從他給出的模型，他預(yù)測另外存在一種帶質(zhì)量玻色子，后來知名為“希格斯玻色子”希格斯的1966年論文推導(dǎo)出希子的衰變機(jī)制；只有帶質(zhì)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(tuán)隊論文提到了恩格勒團(tuán)隊與希格斯先前分別獨立發(fā)表的論文。古拉尼團(tuán)隊論文是唯一對于整個希格斯機(jī)制給出完整分析的論文。這論文也推導(dǎo)出希子的存在，但是希格斯的希子具有質(zhì)量，而古拉尼團(tuán)隊的希子不具有質(zhì)量，這結(jié)果令人疑問兩種希子是否相同。在2009年與2011年發(fā)表的兩篇論文中，古拉尼解釋，在古拉尼團(tuán)隊給出的模型里，取至最低階近似，玻色子的質(zhì)量為零，但是這質(zhì)量的數(shù)值沒有被任何理論限制；取至較高階，玻色子可以獲得質(zhì)量。
希格斯機(jī)制不但解釋了規(guī)范玻色子怎樣獲得質(zhì)量，還預(yù)測這些玻色子與標(biāo)準(zhǔn)模型的費米子之間的耦合。經(jīng)過在大型正負(fù)電子對撞機(jī)（LEP）和斯坦福線性加速器（SLAC）做精密測量實驗，很多預(yù)測都已經(jīng)核對證實，因此確認(rèn)大自然實際存在這一機(jī)制。但物理學(xué)者仍舊不清楚希格斯機(jī)制到底是怎樣發(fā)生，他們希望能從尋找希子所得到的結(jié)果獲得一些這方面的證據(jù)。
理論
希格斯勢與希格斯場
的關(guān)系形狀好似一頂墨西哥帽。帽頂為希格斯勢的局域最大值，其希格斯場為零(
)；帽子谷底的任意位置為希格斯勢的最小值，其希格斯場不為零（
）。對于繞著帽子中心軸
的旋轉(zhuǎn)，帽頂?shù)奈恢貌蛔儯弊庸鹊椎娜我馕恢脮淖?，因此帽頂具有旋轉(zhuǎn)對稱性，而帽子谷底的任意位置不具有旋轉(zhuǎn)對稱性。主條目：希格斯機(jī)制
量子力學(xué)的真空與一般認(rèn)知的真空不同。在量子力學(xué)里，真空并不是全無一物的空間，虛粒子會持續(xù)地隨機(jī)生成或湮滅于空間的任意位置，這會造成奧妙的量子效應(yīng)。將這些量子效應(yīng)納入考量之后，空間的最低能量態(tài)，是在所有能量態(tài)之中，能量最低的能量態(tài)，又稱為基態(tài)或“真空態(tài)”。最低能量態(tài)的空間才是量子力學(xué)的真空。描述物理系統(tǒng)的方程所具有的對稱性，這最低能量態(tài)可能不具有，這現(xiàn)象稱為自發(fā)對稱性破缺。
在標(biāo)準(zhǔn)模型里，為了滿足定域規(guī)范不變性，規(guī)范玻色子的質(zhì)量必須設(shè)定為零；但這不符合實驗觀察結(jié)果──W玻色子與Z玻色子都已經(jīng)通過做實驗檢驗確實擁有質(zhì)量。因此，這些玻色子必須倚賴其它種機(jī)制或作用來獲得質(zhì)量。
每一個最低能量態(tài)位置都不具有旋轉(zhuǎn)對稱性。在這無窮多個最低能量態(tài)之中，只有一個最低能量態(tài)能夠被實現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)對稱性因此被打破，造成自發(fā)對稱性破缺，因此使規(guī)范玻色子獲得質(zhì)量，同時生成一種零質(zhì)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并不符合實際物理。通過選擇適當(dāng)?shù)囊?guī)范，戈德斯通玻色子會被抵銷，只存留帶質(zhì)量希子與帶質(zhì)量規(guī)范玻色子?？偫ǘ?，利用自發(fā)對稱性破缺，使得規(guī)范玻色子獲得質(zhì)量，這就是希格斯機(jī)制。在所有可以賦予規(guī)范玻色子質(zhì)量，而同時又遵守規(guī)范理論的可能機(jī)制中，這是最簡單的機(jī)制。
按照希格斯機(jī)制，復(fù)值希格斯場（兩個自由度）與零質(zhì)量規(guī)范玻色子（橫場，如同光子一樣，具有兩個自由度）被變換為帶質(zhì)量標(biāo)量粒子（希子，一個自由度）與帶質(zhì)量規(guī)范玻色子（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），自由度守恒。
費米子也是因為與希格斯場相互作用而獲得質(zhì)量，但它們獲得質(zhì)量的方式不同于W玻色子、Z玻色子的方式。在規(guī)范場論里，為了滿足定域規(guī)范不變性，必須設(shè)定費米子的質(zhì)量為零。通過湯川耦合，費米子也可以因為自發(fā)對稱性破缺而獲得質(zhì)量。
標(biāo)準(zhǔn)模型希子的性質(zhì)
稍微復(fù)雜一點，但更實際一點，在最小標(biāo)準(zhǔn)模型（minimal standard model）里，希格斯場是復(fù)值二重態(tài)，是由兩個復(fù)值標(biāo)量場，或四個實值標(biāo)量場組成，其中，兩個帶有電荷，兩個是中性。在這模型里，還有四個零質(zhì)量規(guī)范玻色子，都是橫場，如同光子一樣，具有兩個自由度?？偤掀饋?，一共有十二個自由度。自發(fā)對稱性破缺之后，一共有三個規(guī)范玻色子會獲得質(zhì)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(zhì)量規(guī)范玻色子，剩下的一個自由度是帶質(zhì)量的希子。三個帶質(zhì)量規(guī)范玻色子分別是W、W和Z玻色子。零質(zhì)量規(guī)范玻色子是光子。由于希格斯場是標(biāo)量場（不會因洛倫茲變換而改變），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(biāo)準(zhǔn)模型并沒有預(yù)測希子的質(zhì)量。假若質(zhì)量在115和180 GeV之間，則能量尺度直到普朗克尺度（10GeV）上限，標(biāo)準(zhǔn)模型都有效?；跇?biāo)準(zhǔn)模型的一些不令人滿意的性質(zhì)，許多理論學(xué)者認(rèn)為后標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理會出現(xiàn)于TeV能量尺度。希子（或其他的電弱對稱性破缺機(jī)制）能夠具有的質(zhì)量的尺度上限是1.4 TeV；超過此上限，標(biāo)準(zhǔn)模型變得不相容，因為對于某些散射過程違反了幺正性。現(xiàn)今，學(xué)術(shù)界有超過一百種不同關(guān)于希格斯質(zhì)量的理論預(yù)測。
理論而言，希子的質(zhì)量或許可以間接估計。在標(biāo)準(zhǔn)模型里，希子會造成一些間接效應(yīng)。最值得注意的是，希格斯回路會造成W玻色子質(zhì)量和Z玻色子質(zhì)量的小額度修正。通過整體擬合從各個對撞機(jī)獲得的精密電弱數(shù)據(jù)。
希子可能會與前面提到的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子相互作用，但也可能會與詭秘的大質(zhì)量弱相互作用粒子相互作用，形成暗物質(zhì)，這在近期天文物理學(xué)研究領(lǐng)域里，是很重要的論題。
希子的制備
- 膠子融合：膠子是負(fù)責(zé)傳遞強(qiáng)相互作用的玻色子。它們把重子內(nèi)部的夸克捆綁在一起。假若碰撞粒子為重子，例如，在兆電子伏特加速器里的質(zhì)子與反質(zhì)子，或在大型強(qiáng)子對撞機(jī)里的質(zhì)子，則最有可能發(fā)生兩個膠子（g ）碰撞在一起。制備希子最簡單的方法就是兩個膠子碰撞后，經(jīng)過虛夸克圈而形成希子。由于希子與粒子的耦合跟粒子的質(zhì)量成正比，粒子質(zhì)量越大，聚變反應(yīng)越容易發(fā)生。實際而言，只需要考慮虛頂夸克（t）與虛底夸克（b）的貢獻(xiàn)，它們是質(zhì)量最大的兩種夸克。在兆電子伏特加速器、大型強(qiáng)子對撞機(jī)里，這是主要反應(yīng)，比任何其它反應(yīng)的發(fā)生次數(shù)多十倍以上。
- 矢量玻色子融合：兩個夸克分別發(fā)射一個W玻色子或Z玻色子，然后以WW或 ZZ 方式合并形成一個中性希子。在大型正負(fù)電子對撞機(jī)、大型強(qiáng)子對撞機(jī)里，這是第二主要反應(yīng)。例如，上夸克與下夸克分別發(fā)射W與W，然后以WW方式合并形成一個中性希子。
- 頂夸克融合：兩個膠子（g）分別衰變?yōu)閮蓚€頂夸克（ t ）反頂夸克粒子對，然后 t與反頂夸克粒子對合并形成一個中性希子。這反應(yīng)的發(fā)生次數(shù)很少（低過兩個數(shù)量級）。
希子的衰變
標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)測的希子衰變寬度與質(zhì)量有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)測的希子的幾種不同衰變模式的分支比與質(zhì)量有關(guān)。
在量子力學(xué)里，假若粒子有可能衰變成一組質(zhì)量較輕的粒子，則這粒子必會如此衰變。衰變發(fā)生的概率與幾種因素有關(guān)：質(zhì)量差值、耦合強(qiáng)度等等。標(biāo)準(zhǔn)模型已將大多數(shù)這些因素設(shè)定，希子質(zhì)量是一個例外。假設(shè)希子質(zhì)量為126GeV，則標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測平均壽命（mean lifetime）大約為
秒。
由于希子會與每一種“已知”帶質(zhì)量基本粒子相互作用，希子有很多種不同的衰變道。每種衰變道都有其發(fā)生的概率，稱為分支比（branching ratio），定義為這種衰變道發(fā)生的次數(shù)除以總次數(shù)。右圖展示出，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的幾種不同衰變模式的分支比與質(zhì)量之間的關(guān)系。
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。對于希子衰變，產(chǎn)物質(zhì)量越大，則耦合強(qiáng)度越大（呈線性或平方關(guān)系）。因此，希子比較可能衰變?yōu)檩^重的費米子，希子應(yīng)該最常衰變?yōu)轫斂淇?/span>反頂夸克對。但是，這種衰變必須遵守運動學(xué)約束，即希子質(zhì)量必須大于346GeV，頂夸克質(zhì)量的兩倍。假設(shè)希子質(zhì)量為126GeV，則標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測最常發(fā)生的衰變?yōu)?/span>底夸克反底夸克對，概率為56.1%。第二常發(fā)生的衰變是τ子反τ子對，概率為6%。
希子也有可能分裂為一對帶質(zhì)量規(guī)范玻色子。對于這模式，希子最有可能衰變?yōu)橐粚玻色子，假設(shè)希子質(zhì)量為126GeV，則概率為23.1%。在這之后，W玻色子可以衰變?yōu)榭淇伺c反夸克，或者，衰變?yōu)?/span>輕子與中微子。這最后一種模式不能被重建，因為無法探測到中微子。希子衰變?yōu)橐粚玻色子會給出較干凈的訊號，若果Z玻色子會繼續(xù)衰變?yōu)?a class="dict" href="/azsoft/cj2785489.html">易探測的帶電荷輕子反輕子對（電子或μ子）。假設(shè)希子質(zhì)量為126GeV，則概率為2.9%。
希子還可能衰變?yōu)榱阗|(zhì)量膠子，但是中間需要經(jīng)過夸克圈。對于這模式，最常會經(jīng)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(fā)生的衰變概率仍舊可觀，不容忽略。假設(shè)希子質(zhì)量為126GeV，則概率為8.5%。
比較稀有的是希子衰變?yōu)榱阗|(zhì)量光子，概率為0.2%，這過程中間需要經(jīng)過費米子圈或W玻色子圈。由于光子的能量與動量可以非常準(zhǔn)確地測量，衰變粒子的質(zhì)量可以準(zhǔn)確重建出來。所以，在探索低質(zhì)量希子的實驗中，這過程非常重要。
另類模型
所有應(yīng)用希格斯機(jī)制來解釋質(zhì)量問題的模型中，最小標(biāo)準(zhǔn)模型只設(shè)定了一個復(fù)值二重態(tài)希格斯場，是最簡單的標(biāo)準(zhǔn)模型。其它模型的希格斯場可能會被延伸成具有更多二重態(tài)或三重態(tài)。雙希格斯二重態(tài)模型（two-Higgs-doublet models, 2HDM）設(shè)定了兩個復(fù)值二重態(tài)希格斯場，是在所有其它種模型中比較受到認(rèn)可的模型，主要原因為
- 在所有其它種模型中，它是最小、最簡單的模型。
- 它能夠添加更多物理現(xiàn)象，例如，帶電荷的希子。
- 它遵守標(biāo)準(zhǔn)模型的主要理論約束。
- 低能量超對稱模型必須具有這種結(jié)構(gòu)。
雙希格斯二重態(tài)模型預(yù)言五重態(tài)標(biāo)量粒子的存在：兩個CP-偶性的中性希子 h、H，一個CP-奇性的中性希子 A，和兩個帶電荷希子 H、H。不同版本的2HDM與最小標(biāo)準(zhǔn)模型的分辨方法主要建立于它們的耦合常數(shù)與希格斯衰變的分支比都不相同。在模型I里，一個二重態(tài)能與所有種類的夸克耦合，另一個二重態(tài)則不能與任何夸克耦合。在模型II里，一個二重態(tài)能與上型夸克（up-type quark）耦合，另一個二重態(tài)則與下型夸克（down-type quark）耦合。超對稱模型（SUSY）是標(biāo)準(zhǔn)模型的一種延伸，屬于2HDM模型II。在超對稱模型中，最小超對稱模型（MSSM）的希格斯機(jī)制產(chǎn)生的希子數(shù)量最少。在最小標(biāo)準(zhǔn)模型里，希子質(zhì)量基本而言是一個自由參數(shù)，只要小于TeV能量尺度就行。在MSSM里，最輕的CP-偶性的中性希子h的質(zhì)量上限大約為110-135GeV。假若希子質(zhì)量在125GeV左右，則MSSM的模型參數(shù)會被強(qiáng)列約束。
在藝彩理論（technicolor theory）里，兩個強(qiáng)烈束縛的費米子所形成的粒子對扮演了希格斯場的角色。頂夸克凝聚理論（top quark condensate theory）提出希格斯場被頂夸克與反頂夸克共同組成的復(fù)合場替代的概念。有些模型完全不提供希格斯場，電弱對稱性破缺是倚賴額外維度來達(dá)成。
實驗探索
為了要制成希子，在粒子對撞機(jī)里，兩道粒子束被加速到非常高能量，然后在粒子探測器里相互碰撞，有時候，異乎尋常地，會因此生成產(chǎn)物希子。但是希子會在生成后會在非常短暫時間內(nèi)發(fā)生衰變，無法直接被探測到，探測器只能記錄其所有衰變產(chǎn)物（“衰變特征”），從這些實驗數(shù)據(jù)，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(xiàn)類似的衰變特征。很慶幸地是，標(biāo)準(zhǔn)模型精確地預(yù)言所有可能衰變模式與對應(yīng)的或然率，假若探測到更多能夠匹配希子衰變特征的事件，而不是更多不同于希子衰變特征的事件，則這應(yīng)該是希子存在的強(qiáng)烈證據(jù)。
在大型強(qiáng)子對撞機(jī)里，由于粒子碰撞生成希子的事件概率非常稀有，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征，物理學(xué)者必須搜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征的事件才可被視為是可能的希子衰變事件。在確認(rèn)發(fā)現(xiàn)新粒子之前，兩個獨立的粒子探測器（ATLAS與CMS）所觀測到的衰變特征出自于背景隨機(jī)標(biāo)準(zhǔn)模型的事件概率，都必須低于百萬分之一，也就是說，觀測到的事件數(shù)量比沒有新粒子的事件數(shù)量，兩者之間相異的程度為5個標(biāo)準(zhǔn)差。更多碰撞數(shù)據(jù)能夠讓物理學(xué)者更為正確地辨認(rèn)新粒子的物理性質(zhì)，從而決定新粒子是否為標(biāo)準(zhǔn)模型所描述的希子，還是其它種假想粒子。
低能量實驗設(shè)施可能無法找到希子，必須建造一座高能量粒子對撞機(jī)，這對撞機(jī)還需要具有高亮度來確保搜集到足夠的碰撞數(shù)據(jù)。另外，還需要高功能電腦設(shè)施來有序處理大量碰撞數(shù)據(jù)（大約25petabyte每年）。至2012年為止，它的附屬電腦設(shè)施，全球大型強(qiáng)子對撞機(jī)計算網(wǎng)格（Worldwide LHC Computing Grid）已處理了超過三百萬億（
）個碰撞事件。這是全球最大的計算網(wǎng)格，隸屬于它的170個電算設(shè)施，散布在36國家，是以分布式計算的模式連結(jié)在一起。
2012年7月4日以前的探索
最早大規(guī)模搜尋希子的實驗設(shè)施是歐洲核子研究組織的大型正負(fù)電子對撞機(jī)，它在1990年代開始運作，直到2000年為止，但它并沒有找到希子的確切存在證據(jù)，這是因為它的專長是精密測量粒子的性質(zhì)。根據(jù)大型正負(fù)電子對撞機(jī)所收集到的數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)模型希子的質(zhì)量下限被設(shè)定為114.4 GeV，置信水平95%。這意味著假若希子存在，則它應(yīng)該會重于114.4GeV/c。
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(wù)。1995年，它發(fā)現(xiàn)了頂夸克。為了搜尋希子，設(shè)施的功能被大大提升，但這并不能保證兆電子伏特加速器會發(fā)現(xiàn)希子。在那時期，它是唯一正在運作中的超級對撞機(jī)，大型強(qiáng)子對撞機(jī)正在建造，超導(dǎo)超大型加速器計劃已于1993年取消。歷經(jīng)多年運作，兆電子伏特加速器只能對于更進(jìn)一步排除希子質(zhì)量值域做出貢獻(xiàn)，由于能量與亮度無法與建成的大型強(qiáng)子對撞機(jī)競爭，于2011年9月30日除役。從分析獲得的實驗數(shù)據(jù)，兆電子伏特加速器團(tuán)隊排除希子的質(zhì)量在100-103GeV、147-180GeV以內(nèi)，置信水平95%。在能量115–140GeV之間區(qū)域，超額事件的統(tǒng)計顯著性為2.5個標(biāo)準(zhǔn)差，這對應(yīng)于在550次事件中，有一次事件是歸咎于統(tǒng)計漲落。這結(jié)果仍舊未能達(dá)到5個標(biāo)準(zhǔn)差，因此不能夠作定論。
歐洲核子研究組織的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）的設(shè)計目標(biāo)之一為能夠確認(rèn)或排除希子的存在。在瑞士日內(nèi)瓦附近鄉(xiāng)村的地底下，圓周為27km的坑道里，兩個質(zhì)子束相撞在一起，最初以3.5TeV每質(zhì)子束（總共7TeV），大約為兆電子伏特加速器的3.6倍，未來還可提升至
TeV（總共14TeV）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，假若希子存在，則這么高能量的碰撞應(yīng)該能夠?qū)⑺衣冻鰜怼＿@是史上最復(fù)雜的科學(xué)設(shè)施之一。在開啟測試后僅僅九天，由于磁鐵與磁鐵之間電接連缺陷，發(fā)生磁體失超事件，造成50多個超導(dǎo)磁鐵被毀壞、真空系統(tǒng)被污染，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(jìn)行數(shù)據(jù)搜集與分析。2011年12月，LHC的兩個主要粒子探測器，超環(huán)面儀器（ATLAS）和緊湊μ子線圈（CMS）的實驗團(tuán)隊，已將希子的可能質(zhì)量值域縮小至115-130 GeV（ATLAS）與117-127 GeV （CMS）。另外，ATLAS在質(zhì)量范圍125-126GeV探測到超額事件，統(tǒng)計顯著性為3.6個標(biāo)準(zhǔn)差，CMS在質(zhì)量范圍124GeV探測到超額事件，統(tǒng)計顯著性為2.6個標(biāo)準(zhǔn)差。由于統(tǒng)計顯著性并不夠大，尚無法做結(jié)論或甚至正式當(dāng)作一個觀察事件。但是，兩個探測器都獨立地在同樣質(zhì)量附近檢測出超額事件，這事實使得粒子物理社團(tuán)極其振奮，期望能夠在檢驗完畢2012年的碰撞數(shù)據(jù)之后，于明年年底排除或確認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)模型希子的存在。CMS團(tuán)隊發(fā)言人吉多·桐迺立（Guido Tonelli）表示：“統(tǒng)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(xì)的分析與這精心打造的巨環(huán)在2012年所貢獻(xiàn)出的更多數(shù)據(jù)必定會給出一個答案?！?/span>
發(fā)現(xiàn)新玻色子
2012年6月22日，歐洲核子研究組織發(fā)表聲明，將要召開專題討論會與新聞發(fā)布會，報告關(guān)于尋找希子的最新研究結(jié)果。不消一刻，謠言傳遍了新聞媒體，記者們與一些物理學(xué)者紛紛猜測歐洲核子研究組織是否會正式宣布證實希子存在。
7月4日，歐洲核子研究組織舉行專題討論會與新聞發(fā)布會宣布，緊湊μ子線圈發(fā)現(xiàn)質(zhì)量為
的新玻色子，標(biāo)準(zhǔn)差為4.9；超環(huán)面儀器發(fā)現(xiàn)質(zhì)量為126.5GeV的新玻色子標(biāo)準(zhǔn)差為4.6。物理學(xué)者認(rèn)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(jīng)發(fā)現(xiàn)希子了；但從一個內(nèi)行人的角度來說，我們還需要更多的數(shù)據(jù)?！?/span>
一旦將其它種類的緊湊μ子線圈相互作用納入計算，這兩個實驗達(dá)到局部統(tǒng)計顯著性5個標(biāo)準(zhǔn)差──錯誤概率低于百萬分之一。在新聞發(fā)布之前很長一段時間，兩個團(tuán)隊彼此之間不能互通訊息，這樣才能確保每一個團(tuán)隊得到的結(jié)果不會受到另一個團(tuán)隊的影響而發(fā)生任何偏差，這也可以讓兩個團(tuán)隊各自獨立得到的研究結(jié)果可以彼此相互核對。
如此規(guī)格的證據(jù)，通過兩個被隔離團(tuán)隊與實驗的獨立確定，已達(dá)到確定發(fā)現(xiàn)所需要的正式標(biāo)準(zhǔn)。歐洲核子研究組織的治學(xué)態(tài)度非常嚴(yán)謹(jǐn)，不愿意引人非議；歐洲核子研究組織表明，新發(fā)現(xiàn)的粒子與希子相符，但是物理學(xué)者尚未明確地認(rèn)定這粒子就是希子，仍舊需要更進(jìn)一步搜集與分析數(shù)據(jù)才能夠做定論。換句話說，從實驗觀測顯示，新發(fā)現(xiàn)的玻色子可能是希子，很多物理學(xué)者都認(rèn)為非?？赡苁窍Ｗ樱F(xiàn)在已經(jīng)證實有一個新粒子存在，但仍舊需要更進(jìn)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μ子線圈小組和超環(huán)面儀器小組分別提交了新的探測結(jié)果的論文，將這種疑似希子的粒子的質(zhì)量確定為緊湊μ子線圈的125.3 GeV（統(tǒng)計誤差：
、系統(tǒng)誤差：
、統(tǒng)計顯著性：5.8個標(biāo)準(zhǔn)差）和超環(huán)面儀器的126.0 GeV（統(tǒng)計誤差： 、系統(tǒng)誤差： 、統(tǒng)計顯著性：5.9個標(biāo)準(zhǔn)差）。
2013年3月14日，歐洲核子研究組織發(fā)布新聞稿表示，先前探測到的新粒子是希子。
確認(rèn)希子
在超環(huán)面儀器里，4-μ子候選事件示意圖。在緊湊μ子線圈探測器里，從質(zhì)心能量為8 TeV的質(zhì)子-質(zhì)子碰撞事件記錄數(shù)據(jù)制作出的三維繪景圖。
2013年3月14日，歐洲核子研究組織公開確認(rèn)：
- "緊湊μ子線圈小組與超環(huán)面儀器小組已對這粒子所擁有的自旋、宇稱可能會產(chǎn)生的狀況仔細(xì)分析比較，這些都指向零自旋與偶宇稱（符合標(biāo)準(zhǔn)模型的兩個對于希子的基要判據(jù)）。這事實，再加上測量到的新粒子與其它粒子彼此之間的相互作用，強(qiáng)烈顯示這就是希子。
這也是第一個被發(fā)現(xiàn)的基本標(biāo)量粒子。以下列出幾個檢試這125GeV粒子是否為希子的實驗項目：
- 玻色子：只有玻色子才能夠衰變?yōu)閮蓚€光子。從實驗已觀常到這125GeV粒子能夠衰變?yōu)閮蓚€光子，因此，這粒子是玻色子。
- 偶宇稱（正宇稱）：從研究衰變產(chǎn)物運動軌道的角度，可以查得到底是偶宇稱還是奇宇稱。有些理論主張，可能存在有膺標(biāo)量（pseudoscalar ）希子，這種粒子擁有奇宇稱。2013年3月，125GeV粒子的宇稱暫時確認(rèn)為正宇稱。排除零自旋奇宇稱假說，置信水平超過99.9%。
- 衰變道：標(biāo)準(zhǔn)模型已對希子的衰變模式給出詳細(xì)預(yù)測，證實希格斯場可以與費米子相互作用。這意味著希子不只是衰變至傳遞作用力的玻色子，它還衰變至組成物質(zhì)的費米子。對于這些模式，實驗初始得到的分支比（branching ratio）或衰變率結(jié)果稍微高過預(yù)期值，意味著這粒子的物理行為可能更為怪異，但是，CMS團(tuán)隊領(lǐng)導(dǎo)約瑟·英侃德拉（Joseph Incandela）認(rèn)為，這分歧并不嚴(yán)峻。
- 與質(zhì)量相耦合：希子必須能夠通過希格斯場與質(zhì)量相耦合，也就是說，與W玻色子、Z玻色子相耦合。對于標(biāo)準(zhǔn)模型希子而言，所涉及的耦合常數(shù)。從分析LHC實驗得到的數(shù)據(jù)，CV在標(biāo)準(zhǔn)模型數(shù)值的 15%內(nèi)，置信水平95%。
- 高能量碰撞結(jié)果仍舊與先前一致：在大型強(qiáng)子對撞機(jī)2015年重新開啟之后，碰撞能量將達(dá)到設(shè)計的13 – 14 TeV，未來實驗將專注于尋找其它種類的希子（如同某些理論預(yù)測）與檢試其它版本的粒子理論，實驗獲得的高能量結(jié)果必須與希格斯理論一致。
色子衰變
2021年2月16日，據(jù)美國趣味科學(xué)網(wǎng)站報道，歐洲核子研究中心的科學(xué)家近日發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子衰變?yōu)閮蓚€輕子（帶相反電荷的電子或μ子對）和一個光子——“達(dá)利茲衰變”的首個證據(jù)，這是研究人員在大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）上發(fā)現(xiàn)的最罕見的希格斯玻色子衰變之一，有助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新物理學(xué)。
上帝粒子
美國物理學(xué)家、1988年諾貝爾物理學(xué)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，那么問題是什么？》，后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于希子的關(guān)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(dāng)今物理學(xué)中處于極為中心的位置，對我們理解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)極為關(guān)鍵、也極為難以捉摸”。不過他也開玩笑地補(bǔ)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）’，盡管這別稱可能更恰當(dāng)?shù)乇磉_(dá)了希子杳無蹤跡的性質(zhì)以及人們?yōu)橹冻龅拇鷥r與遭受到的挫折感?！比欢?，許多科學(xué)家卻不喜歡這一稱呼，因為它過分強(qiáng)調(diào)了這粒子的重要性和太宗教化。而且即使這粒子被發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)者仍舊無法回答一些關(guān)于強(qiáng)相互作用、電弱相互作用、引力相互作用的統(tǒng)一化問題，以及宇宙的起源問題；希格斯本人是無神論學(xué)者。
有關(guān)爭議
參見
- 希格斯機(jī)制
- 希格斯場
- 希格斯玻色子的實驗探索
- 探尋希格斯玻色子時間軸
- 玻色-愛因斯坦統(tǒng)計
新聞報道
參考資料
[1]
罕見希格斯玻色子衰變首證發(fā)現(xiàn) 有助研究新物理學(xué) · 中新網(wǎng)[引用日期2021-02-18]
[2]
希格斯玻色子質(zhì)量分布獲迄今最精確測量 · 今日頭條-人民日報數(shù)字傳播[引用日期2022-10-24]
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
作者
