希格斯玻色子发现简史
|作者：杨洪洮1,2 赵政国1,2,†
(1 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室)
(2 中国科学技术大学近代物理系)
本文选自《物理》2022年第11期
摘要 希格斯玻色子于2012年的发现是粒子物理发展史上的一座里程碑。它为标准模型补上了最后一块拼图，希格斯机制的提出者们也因此获得了2013年的诺贝尔物理学奖。在希格斯玻色子发现十周年之际，文章将带领读者简短回顾希格斯玻色子从提出到发现的近半个世纪的历史。
关键词 希格斯玻色子，标准模型，粒子物理实验，科学史
01引言
粒子物理的标准模型是迄今为止最为成功的物理理论之一，代表着目前人类对于世界物质基本组成及其相互作用最为先进的认识，它能够精确描述从微观到宏观除引力外的一系列物理现象。标准模型的理论框架中包含两类基本粒子(图1)，一类是作为物质基本组成的费米子，另一类是传递相互作用的玻色子。这些基本粒子都在实验上被相继发现，很多重要贡献者也因此获得了诺贝尔物理学奖。然而，标准模型理论在建立之初有一个“缺陷”，那就是它描述的所有基本粒子都是无质量的。这显然与现实不符：如果所有基本粒子都没有质量，那它们都将以光速运动，我们所熟悉的宇宙也将不复存在。
为了解释基本粒子的质量起源，包括弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)与彼得·希格斯(Peter Higgs)在内的几位科学家在20世纪60年代初提出了“希格斯机制”[1—6]。根据这一理论，宇宙中充满着希格斯场，基本粒子通过与希格斯场相互作用来获得质量。为了证实希格斯场的存在，我们需要在实验中寻找与它对应的基本粒子：希格斯玻色子。希格斯玻色子是目前已知的唯一自旋为零的基本粒子，宇称为正。它最独特之处在于它能“分辨”出其他粒子的质量大小。一个基本粒子的质量越大，希格斯玻色子与它的相互作用就越强。
尽管希格斯玻色子的理论预言很早就被提出，但寻找希格斯玻色子的过程却花费了近半个世纪。由于标准模型本身无法预测希格斯玻色子的质量，实验粒子物理学家只能渐次探索希格斯玻色子可能存在的质量区间。时值希格斯玻色子发现十周年，我们希望通过本文带领读者简单回顾希格斯玻色子发现的历史。
2.1 希格斯玻色子的直接寻找
在解决了重大理论困难后，希格斯机制理论从20世纪70年代起开始被主流粒子物理学界所接受。实验上对于希格斯玻色子的探索也自此开始。例如，早期利用电子与中子或氘核的散射，科学家将希格斯玻色子的质量约束在0.6 MeV(1 eV=1.6×10-19 J，依据爱因斯坦质能转换关系，用作质量单位时等于1.8×10-33 g)以上[7]。但由于此时理论尚无法为实验提供有效指引，并且许多标准模型预测的基本粒子尚待证实，因此寻找希格斯玻色子并未立刻成为实验粒子物理学界追逐的首要物理目标。
随着标准模型预测的其他基本粒子，尤其是与希格斯机制紧密相关的大质量规范玻色子W±与Z被发现，标准模型的成功开始被广泛接受，而验证作为标准模型核心之一的希格斯机制也因此变得愈发重要。从20世纪80年代起，以欧洲核子中心大型正负电子对撞机(Large Electron Positron Collider，LEP)以及美国费米国家实验室质子—反质子对撞机(Tevatron)为代表的大型加速器实验(图2)开始参与到希格斯玻色子的搜寻当中，极大地推动了这一领域的进展。
图2 欧洲核子中心的大型正负电子对撞机(LEP，左)与美国费米国家实验的质子—反质子对撞机(Tevatron，右)
大型正负电子对撞机坐落于瑞士与法国的边境地下约100 m深处，周长27 km。它于1989年至2000年之间产生正负电子对撞数据，并由其上的4个实验ALEPH、DELPHI、L3和OPAL采集分析。LEP的运行分为两个阶段，第一期运行期间质心系能量约在90 GeV(1 GeV=109 eV)，产生了大量的Z玻色子。通过在Z玻色子的衰变中寻找希格斯玻色子，实验粒子物理学家在95%的统计置信度(此后提到的排除区间都是对应95%统计置信度)上排除了希格斯玻色子质量小于58 GeV的区间[8]。此后LEP经过升级改造，在二期运行时质心系能量进一步提高，最终达到了209 GeV。利用这些在更高能量下采集的数据，科学家得以进一步探索希格斯玻色子可能存在的更高质量区间，最终排除了其在114 GeV以下的可能[9]。
Tevatron位于美国伊利诺伊州，周长6.3 km。与LEP不同，Tevatron加速和对撞的是正反质子，质心系能量约为2 TeV (1 TeV=1012 eV)。直到大型强子对撞机(Large Hadron Collider，LHC)建成，Tevatron一直是世界上能量最高的加速器。Tevatron上的两个实验，CDF和DØ，在LEP结束取数后继续探索。它们不但验证了之前LEP的结果，也进一步排除了希格斯玻色子质量在156—177 GeV的区间[10]。此后在2012年，CDF与DØ进一步利用Tevatron产生的全部数据，在120—135 GeV的区间内发现了希格斯玻色子可能存在的迹象[11]。但由于Tevatron加速器已经于2011年关停，因此这两个实验最终没能证实希格斯玻色子的发现。
2.2 对希格斯玻色子质量的间接约束
除了直接产生外，希格斯玻色子也可以作为中间粒子参与到诸多物理过程中，在没有被直接观测的情形下依然对这些过程的事例率以及动力学分布等实验观测量造成影响。这一效应在理论计算中被称为“电弱修正”，其具体影响会随着希格斯玻色子质量的变化而变化。因此只要能精确测量相应的物理过程，并同基于不同希格斯玻色子质量的电弱修正计算作对比，我们就能利用这一效应间接地约束希格斯玻色子的质量。
利用LEP以及美国斯坦福直线对撞机上采集的大量Z玻色子数据，以及LEP二期和Tevatron对W±玻色子的性质测量，再加上Tevatron上最新发现的顶夸克的质量，物理学家得以将希格斯玻色子的质量约束在158 GeV以下[12](图3)。而这正是接下来LHC能够覆盖的质量区间。电弱精确测量拟合的结果也因此为LHC上寻找希格斯玻色子相关物理提供了强有力的支持。
图3 2010 年时对希格斯玻色子质量的估计。黄色区域为LEP和Tevatron实验已经排除的区间。黑色实线(及其上蓝色条带)则为精确电弱测量数据对希格斯玻色子质量的约束。在95%的置信度上，电弱精确测量数据排除了希格斯玻色子质量大于158 GeV的可能性
值得一提的是，我国的北京正负电子对撞机(Beijing Electron Position Collider，BEPC)及其上的北京谱仪(Beijing Spectrometer，BES)实验也为间接约束希格斯玻色子质量做出了重要贡献。R值是粒子物理中可以直接反映夸克味(flavor)与色(color)量子数的基本物理量，是电弱精确拟合的重要输入测量。在2000年前后，BES实验在2—5 GeV的能区精确测量了R值[13]，其平均误差仅有6.6%，比之前的实验减小了2到3倍。在纳入这一测量结果后，当时的电弱精确测量拟合给出的希格斯玻色子最可几质量从过去的62 GeV升高到了90 GeV，上限也由原来的170 GeV更新为210 GeV(图4)。这一重要测量为发现希格斯玻色子指明了更为精确的方向。法国物理学家博列克·彼得日克(Bolek Pietrzyk)是在LEP上通过实验数据进行标准模型希格斯粒子质量拟合工作的负责人，他在2000年国际高能物理大会报告希格斯粒子质量拟合结果时指出：“没有这一结果(北京谱仪R值结果)，我们可能已排除了标准模型希格斯粒子(without this result，we could have excluded the Standard Model Higgs)”。
图4 2000年国际高能物理大会会议总结报告中展示的BES的R值测量结果对希格斯玻色子质量预测的影响，它将希格斯玻色子的最可几值推向了更接近于正确结果(125 GeV)的方向
LHC[14]建造于欧洲核子中心。它重复利用了LEP周长27 km的隧道，可以加速质子和重离子。加速质子时对撞质心系能量设计指标达到了史无前例的14 TeV。LHC上有4个大型实验(在基金委、科技部、科学院和教育部的大力支持下，我国科学家参加了LHC上全部4个实验)，其中两个“通用型”(general purpose)实验ATLAS[15]和CMS[16](图5)是寻找希格斯玻色子的主力军。这两个大型实验都是由来自全世界的数千名科学家共同完成的，我国的科学家也在其中做出了重要贡献。ATLAS国际合作组成立于1992年。中国科学技术大学、山东大学、中国科学院高能物理研究所、南京大学、上海交通大学与李政道研究所、清华大学等单位都是合作组成员。CMS国际合作组也于1992年成立，国内陆续参加的单位有中国科学院高能物理研究所、北京大学、中国科学技术大学、北京航空航天大学、清华大学、中山大学、浙江大学以及复旦大学。中国组为ATLAS和CMS探测器缪子谱仪，以及CMS电磁量能器的建造都做出了重要贡献。目前也正在承担ATLAS与CMS实验时间探测器、缪子探测器、ATLAS硅微条探测器、CMS新型量能器等重大探测器升级项目。
图5 大型强子对撞机、ATLAS实验以及CMS实验示意图
希格斯玻色子的预期寿命仅有10-22 s，因此它在产生后就会立刻衰变到其他基本粒子。ATLAS与CMS探测器经过专门设计，善于捕捉并测量这些衰变产物，并用它们重建出希格斯玻色子。以LHC为代表的强子对撞机在产生希格斯玻色子的同时也会产生大量的本底，因此具体某个衰变道的敏感度不光取决于该道分支比的大小，也受本底高低的影响。在电弱精确测量数据预测的最有可能发现希格斯玻色子的质量区间内，LHC上最有物理潜力的衰变道主要有双光子(H→γγ)，双Z玻色子(H→ZZ)，双W玻色子(H→W+W-)，正反陶子对(
LHC从2010年开始一期数据采集，初始对撞质心系能量为7 TeV。虽然仅达到设计值的一半，但依然远超过之前同类加速器的质心系能量，其亮度(每秒通过单位面积的粒子数，反映数据积累的快慢)也在世界前列。这两项优势能够让LHC以极快的速度产生潜在的希格斯玻色子。仅用2011年一年所采集的数据，LHC实验就已经直接排除了大部分质量区间，包括之前实验无法触及的高质量区域，将希格斯玻色子可能存在的区间基本锁定在了125 GeV附近的一个很小的窗口[17，18]。正是在这一窗口，ATLAS与CMS实验同时观测到了与希格斯玻色子符合的信号，其局域统计显著性达到3倍标准差左右，对应信号不存在的概率为千分之一。由于此次搜寻覆盖的质量范围很大(从110 GeV直到600 GeV)，为了得到严谨的结果，ATLAS与CMS的物理学家们在考虑了统计上的“别处看效应”(look-elsewhere effect)后下调了信号的显著性。
图6 2012年7月4日，ATLAS与CMS实验在欧洲核子中心宣布发现希格斯玻色子
在粒子物理实验中，为了确保结果可靠，宣布新粒子的发现需要满足极为苛刻的条件：信号的统计显著性必须要达到5倍标准差，也就是说信号不存在的可能性要远小于百万分之一(2.9×10-7)。因此要确立希格斯玻色子的发现，仅用LHC产生的2011年的数据还远远不够。从2012年起，LHC将质子—质子对撞的质心系能量进一步提高到了8 TeV，从而将希格斯玻色子在125 GeV附近的产率提高了30%左右。到2012年夏天，ATLAS与CMS在新的质心系能量下各自采集了超过2011年两倍多的对撞数据。通过联合分析7 TeV与8 TeV的数据，ATLAS与CMS实验终于在2012年7月4日宣布在5倍标准差的置信度上确立了一个质量在125 GeV左右的新粒子的发现[19，20](图6)。信号的显著性主要由γγ和ZZ衰变道贡献，如图7所示，可以看到当时确立发现的明显的共振峰。该粒子的各项性质都与希格斯玻色子吻合，但实验粒子物理学家出于谨慎，还是将其暂称为“类希格斯玻色子”(Higgs-like boson)。在随后的一年中，ATLAS与CMS实验利用更多数据进一步研究了该新粒子的性质，尤其是确定了它的自旋为零。在确认这些测量都与标准模型在精度内符合后，物理学家将“类”字从这个新粒子的名字中去除，宣布其为希格斯玻色子。在几位最初提出这一机制的理论家中，恩格勒和希格斯于2013年获得了诺贝尔物理学奖。
图7 ATLAS 与 CMS 实验观测到的希格斯玻色子衰变到双光子((a)，(b))与四轻子((c)，(d))的信号
值得一提的是，ATLAS与CMS中国组的物理学家们对希格斯玻色子的发现做出了直接的重要贡献。我国科学家直接参与了在γγ、ZZ、W+W-、
希格斯玻色子是粒子物理标准模型的最后一块拼图。它的发现是标准模型的又一次成功，标志着人类对于物质世界的认识迈入了新纪元。但即使在希格斯玻色子发现十年之后，我们对于它的认识仍然极为有限。例如，我们尚需确认希格斯玻色子与较轻的第二代乃至第一代费米子有相互作用，也并未直接测得希格斯玻色子自耦合的强度。更突出的是，标准模型有其明显的局限性。它无法解释包括暗物质、暗能量、中微子质量，宇宙正反物质不对称等一系列重要的观测。通过对希格斯玻色子的进一步研究，我们不仅可以探索基本粒子的质量起源，或许也能为揭开上述未解之谜提供突破口。
粒子物理研究的意义是深远的，其实验探索的过程也是漫长而艰辛的。希格斯玻色子从提出到发现经过了将近半个世纪。对希格斯玻色子的研究也会在接下来几十年内持续在大型强子对撞机，以及在未来环形对撞机(Future Circular Collider，FCC)、环形正负电子对撞机(Circular Electron Positron Collider，CEPC)等正在建议建造的新一代粒子加速器大科学装置上展开。欢迎有兴趣的读者朋友们能够继续关注粒子物理领域的进展。
致 谢 感谢美国劳伦斯伯克利国家实验室Fabio Cerruti研究员，德国马克思·普朗克研究所Marumi Kado教授，美国马里兰大学刘真教授，北京大学冒亚军教授，中国科学技术大学卢建新教授，以及美国加州大学伯克利分校王海辰教授的讨论。
参考文献
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