|作者：楊洪洮1,2 趙政國1,2,?

(1 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室)

(2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系)

本文選自《物理》2022年第11期

摘要希格斯玻色子于2012年的發(fā)現(xiàn)是粒子物理發(fā)展史上的一座里程碑。它為標準模型補上了最后一塊拼圖，希格斯機制的提出者們也因此獲得了2013年的諾貝爾物理學(xué)獎。在希格斯玻色子發(fā)現(xiàn)十周年之際，文章將帶領(lǐng)讀者簡短回顧希格斯玻色子從提出到發(fā)現(xiàn)的近半個世紀的歷史。

關(guān)鍵詞希格斯玻色子，標準模型，粒子物理實驗，科學(xué)史

01

引言

粒子物理的標準模型是迄今為止最為成功的物理理論之一，代表著目前人類對于世界物質(zhì)基本組成及其相互作用最為先進的認識，它能夠精確描述從微觀到宏觀除引力外的一系列物理現(xiàn)象。標準模型的理論框架中包含兩類基本粒子(圖1)，一類是作為物質(zhì)基本組成的費米子，另一類是傳遞相互作用的玻色子。這些基本粒子都在實驗上被相繼發(fā)現(xiàn)，很多重要貢獻者也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。然而，標準模型理論在建立之初有一個“缺陷”，那就是它描述的所有基本粒子都是無質(zhì)量的。這顯然與現(xiàn)實不符：如果所有基本粒子都沒有質(zhì)量，那它們都將以光速運動，我們所熟悉的宇宙也將不復(fù)存在。

圖1 標準模型中的基本粒子。其中夸克與輕子屬于費米子，相互作用力則由玻色子傳播。希格斯玻色子作為基本粒子的質(zhì)量起源，在標準模型中有著非常特殊的地位

為了解釋基本粒子的質(zhì)量起源，包括弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)與彼得·希格斯(Peter Higgs)在內(nèi)的幾位科學(xué)家在20世紀60年代初提出了“希格斯機制”[1—6]。根據(jù)這一理論，宇宙中充滿著希格斯場，基本粒子通過與希格斯場相互作用來獲得質(zhì)量。為了證實希格斯場的存在，我們需要在實驗中尋找與它對應(yīng)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為零的基本粒子，宇稱為正。它最獨特之處在于它能“分辨”出其他粒子的質(zhì)量大小。一個基本粒子的質(zhì)量越大，希格斯玻色子與它的相互作用就越強。

盡管希格斯玻色子的理論預(yù)言很早就被提出，但尋找希格斯玻色子的過程卻花費了近半個世紀。由于標準模型本身無法預(yù)測希格斯玻色子的質(zhì)量，實驗粒子物理學(xué)家只能漸次探索希格斯玻色子可能存在的質(zhì)量區(qū)間。時值希格斯玻色子發(fā)現(xiàn)十周年，我們希望通過本文帶領(lǐng)讀者簡單回顧希格斯玻色子發(fā)現(xiàn)的歷史。

02

早期的實驗探索

2.1 希格斯玻色子的直接尋找

在解決了重大理論困難后，希格斯機制理論從20世紀70年代起開始被主流粒子物理學(xué)界所接受。實驗上對于希格斯玻色子的探索也自此開始。例如，早期利用電子與中子或氘核的散射，科學(xué)家將希格斯玻色子的質(zhì)量約束在0.6 MeV(1 eV=1.6×10-19 J，依據(jù)愛因斯坦質(zhì)能轉(zhuǎn)換關(guān)系，用作質(zhì)量單位時等于1.8×10-33 g)以上[7]。但由于此時理論尚無法為實驗提供有效指引，并且許多標準模型預(yù)測的基本粒子尚待證實，因此尋找希格斯玻色子并未立刻成為實驗粒子物理學(xué)界追逐的首要物理目標。

隨著標準模型預(yù)測的其他基本粒子，尤其是與希格斯機制緊密相關(guān)的大質(zhì)量規(guī)范玻色子W±與Z被發(fā)現(xiàn)，標準模型的成功開始被廣泛接受，而驗證作為標準模型核心之一的希格斯機制也因此變得愈發(fā)重要。從20世紀80年代起，以歐洲核子中心大型正負電子對撞機(Large Electron Positron Collider，LEP)以及美國費米國家實驗室質(zhì)子—反質(zhì)子對撞機(Tevatron)為代表的大型加速器實驗(圖2)開始參與到希格斯玻色子的搜尋當(dāng)中，極大地推動了這一領(lǐng)域的進展。

圖2 歐洲核子中心的大型正負電子對撞機(LEP，左)與美國費米國家實驗的質(zhì)子—反質(zhì)子對撞機(Tevatron，右)

大型正負電子對撞機坐落于瑞士與法國的邊境地下約100 m深處，周長27 km。它于1989年至2000年之間產(chǎn)生正負電子對撞數(shù)據(jù)，并由其上的4個實驗ALEPH、DELPHI、L3和OPAL采集分析。LEP的運行分為兩個階段，第一期運行期間質(zhì)心系能量約在90 GeV(1 GeV=109 eV)，產(chǎn)生了大量的Z玻色子。通過在Z玻色子的衰變中尋找希格斯玻色子，實驗粒子物理學(xué)家在95%的統(tǒng)計置信度(此后提到的排除區(qū)間都是對應(yīng)95%統(tǒng)計置信度)上排除了希格斯玻色子質(zhì)量小于58 GeV的區(qū)間[8]。此后LEP經(jīng)過升級改造，在二期運行時質(zhì)心系能量進一步提高，最終達到了209 GeV。利用這些在更高能量下采集的數(shù)據(jù)，科學(xué)家得以進一步探索希格斯玻色子可能存在的更高質(zhì)量區(qū)間，最終排除了其在114 GeV以下的可能[9]。

Tevatron位于美國伊利諾伊州，周長6.3 km。與LEP不同，Tevatron加速和對撞的是正反質(zhì)子，質(zhì)心系能量約為2 TeV (1 TeV=1012 eV)。直到大型強子對撞機(Large Hadron Collider，LHC)建成，Tevatron一直是世界上能量最高的加速器。Tevatron上的兩個實驗，CDF和D?，在LEP結(jié)束取數(shù)后繼續(xù)探索。它們不但驗證了之前LEP的結(jié)果，也進一步排除了希格斯玻色子質(zhì)量在156—177 GeV的區(qū)間[10]。此后在2012年，CDF與D?進一步利用Tevatron產(chǎn)生的全部數(shù)據(jù)，在120—135 GeV的區(qū)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子可能存在的跡象[11]。但由于Tevatron加速器已經(jīng)于2011年關(guān)停，因此這兩個實驗最終沒能證實希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)。

2.2 對希格斯玻色子質(zhì)量的間接約束

除了直接產(chǎn)生外，希格斯玻色子也可以作為中間粒子參與到諸多物理過程中，在沒有被直接觀測的情形下依然對這些過程的事例率以及動力學(xué)分布等實驗觀測量造成影響。這一效應(yīng)在理論計算中被稱為“電弱修正”，其具體影響會隨著希格斯玻色子質(zhì)量的變化而變化。因此只要能精確測量相應(yīng)的物理過程，并同基于不同希格斯玻色子質(zhì)量的電弱修正計算作對比，我們就能利用這一效應(yīng)間接地約束希格斯玻色子的質(zhì)量。

利用LEP以及美國斯坦福直線對撞機上采集的大量Z玻色子數(shù)據(jù)，以及LEP二期和Tevatron對W±玻色子的性質(zhì)測量，再加上Tevatron上最新發(fā)現(xiàn)的頂夸克的質(zhì)量，物理學(xué)家得以將希格斯玻色子的質(zhì)量約束在158 GeV以下[12](圖3)。而這正是接下來LHC能夠覆蓋的質(zhì)量區(qū)間。電弱精確測量擬合的結(jié)果也因此為LHC上尋找希格斯玻色子相關(guān)物理提供了強有力的支持。

圖3 2010 年時對希格斯玻色子質(zhì)量的估計。黃色區(qū)域為LEP和Tevatron實驗已經(jīng)排除的區(qū)間。黑色實線(及其上藍色條帶)則為精確電弱測量數(shù)據(jù)對希格斯玻色子質(zhì)量的約束。在95%的置信度上，電弱精確測量數(shù)據(jù)排除了希格斯玻色子質(zhì)量大于158 GeV的可能性

值得一提的是，我國的北京正負電子對撞機(Beijing Electron Position Collider，BEPC)及其上的北京譜儀(Beijing Spectrometer，BES)實驗也為間接約束希格斯玻色子質(zhì)量做出了重要貢獻。R值是粒子物理中可以直接反映夸克味(flavor)與色(color)量子數(shù)的基本物理量，是電弱精確擬合的重要輸入測量。在2000年前后，BES實驗在2—5 GeV的能區(qū)精確測量了R值[13]，其平均誤差僅有6.6%，比之前的實驗減小了2到3倍。在納入這一測量結(jié)果后，當(dāng)時的電弱精確測量擬合給出的希格斯玻色子最可幾質(zhì)量從過去的62 GeV升高到了90 GeV，上限也由原來的170 GeV更新為210 GeV(圖4)。這一重要測量為發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子指明了更為精確的方向。法國物理學(xué)家博列克·彼得日克(Bolek Pietrzyk)是在LEP上通過實驗數(shù)據(jù)進行標準模型希格斯粒子質(zhì)量擬合工作的負責(zé)人，他在2000年國際高能物理大會報告希格斯粒子質(zhì)量擬合結(jié)果時指出：“沒有這一結(jié)果(北京譜儀R值結(jié)果)，我們可能已排除了標準模型希格斯粒子(without this result，we could have excluded the Standard Model Higgs)”。

圖4 2000年國際高能物理大會會議總結(jié)報告中展示的BES的R值測量結(jié)果對希格斯玻色子質(zhì)量預(yù)測的影響，它將希格斯玻色子的最可幾值推向了更接近于正確結(jié)果(125 GeV)的方向

03

希格斯玻色子在大型強子對撞機上的發(fā)現(xiàn)

LHC[14]建造于歐洲核子中心。它重復(fù)利用了LEP周長27 km的隧道，可以加速質(zhì)子和重離子。加速質(zhì)子時對撞質(zhì)心系能量設(shè)計指標達到了史無前例的14 TeV。LHC上有4個大型實驗(在基金委、科技部、科學(xué)院和教育部的大力支持下，我國科學(xué)家參加了LHC上全部4個實驗)，其中兩個“通用型”(general purpose)實驗ATLAS[15]和CMS[16](圖5)是尋找希格斯玻色子的主力軍。這兩個大型實驗都是由來自全世界的數(shù)千名科學(xué)家共同完成的，我國的科學(xué)家也在其中做出了重要貢獻。ATLAS國際合作組成立于1992年。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、山東大學(xué)、中國科學(xué)院高能物理研究所、南京大學(xué)、上海交通大學(xué)與李政道研究所、清華大學(xué)等單位都是合作組成員。CMS國際合作組也于1992年成立，國內(nèi)陸續(xù)參加的單位有中國科學(xué)院高能物理研究所、北京大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、中山大學(xué)、浙江大學(xué)以及復(fù)旦大學(xué)。中國組為ATLAS和CMS探測器繆子譜儀，以及CMS電磁量能器的建造都做出了重要貢獻。目前也正在承擔(dān)ATLAS與CMS實驗時間探測器、繆子探測器、ATLAS硅微條探測器、CMS新型量能器等重大探測器升級項目。

圖5 大型強子對撞機、ATLAS實驗以及CMS實驗示意圖

希格斯玻色子的預(yù)期壽命僅有10-22 s，因此它在產(chǎn)生后就會立刻衰變到其他基本粒子。ATLAS與CMS探測器經(jīng)過專門設(shè)計，善于捕捉并測量這些衰變產(chǎn)物，并用它們重建出希格斯玻色子。以LHC為代表的強子對撞機在產(chǎn)生希格斯玻色子的同時也會產(chǎn)生大量的本底，因此具體某個衰變道的敏感度不光取決于該道分支比的大小，也受本底高低的影響。在電弱精確測量數(shù)據(jù)預(yù)測的最有可能發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的質(zhì)量區(qū)間內(nèi)，LHC上最有物理潛力的衰變道主要有雙光子(H→γγ)，雙Z玻色子(H→ZZ)，雙W玻色子(H→W+W-)，正反陶子對()，以及正反底夸克對()。在這其中，H→γγ和H→ZZ衰變道尤其突出。它們可以以極高的分辨率重建出希格斯玻色子質(zhì)量，在尋找希格斯玻色子的過程中扮演了關(guān)鍵角色。在更高質(zhì)量區(qū)間，希格斯玻色子的衰變模式則主要由ZZ和W+W-占主導(dǎo)。

LHC從2010年開始一期數(shù)據(jù)采集，初始對撞質(zhì)心系能量為7 TeV。雖然僅達到設(shè)計值的一半，但依然遠超過之前同類加速器的質(zhì)心系能量，其亮度(每秒通過單位面積的粒子數(shù)，反映數(shù)據(jù)積累的快慢)也在世界前列。這兩項優(yōu)勢能夠讓LHC以極快的速度產(chǎn)生潛在的希格斯玻色子。僅用2011年一年所采集的數(shù)據(jù)，LHC實驗就已經(jīng)直接排除了大部分質(zhì)量區(qū)間，包括之前實驗無法觸及的高質(zhì)量區(qū)域，將希格斯玻色子可能存在的區(qū)間基本鎖定在了125 GeV附近的一個很小的窗口[17，18]。正是在這一窗口，ATLAS與CMS實驗同時觀測到了與希格斯玻色子符合的信號，其局域統(tǒng)計顯著性達到3倍標準差左右，對應(yīng)信號不存在的概率為千分之一。由于此次搜尋覆蓋的質(zhì)量范圍很大(從110 GeV直到600 GeV)，為了得到嚴謹?shù)慕Y(jié)果，ATLAS與CMS的物理學(xué)家們在考慮了統(tǒng)計上的“別處看效應(yīng)”(look-elsewhere effect)后下調(diào)了信號的顯著性。

圖6 2012年7月4日，ATLAS與CMS實驗在歐洲核子中心宣布發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子

在粒子物理實驗中，為了確保結(jié)果可靠，宣布新粒子的發(fā)現(xiàn)需要滿足極為苛刻的條件：信號的統(tǒng)計顯著性必須要達到5倍標準差，也就是說信號不存在的可能性要遠小于百萬分之一(2.9×10-7)。因此要確立希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，僅用LHC產(chǎn)生的2011年的數(shù)據(jù)還遠遠不夠。從2012年起，LHC將質(zhì)子—質(zhì)子對撞的質(zhì)心系能量進一步提高到了8 TeV，從而將希格斯玻色子在125 GeV附近的產(chǎn)率提高了30%左右。到2012年夏天，ATLAS與CMS在新的質(zhì)心系能量下各自采集了超過2011年兩倍多的對撞數(shù)據(jù)。通過聯(lián)合分析7 TeV與8 TeV的數(shù)據(jù)，ATLAS與CMS實驗終于在2012年7月4日宣布在5倍標準差的置信度上確立了一個質(zhì)量在125 GeV左右的新粒子的發(fā)現(xiàn)[19，20](圖6)。信號的顯著性主要由γγ和ZZ衰變道貢獻，如圖7所示，可以看到當(dāng)時確立發(fā)現(xiàn)的明顯的共振峰。該粒子的各項性質(zhì)都與希格斯玻色子吻合，但實驗粒子物理學(xué)家出于謹慎，還是將其暫稱為“類希格斯玻色子”(Higgs-like boson)。在隨后的一年中，ATLAS與CMS實驗利用更多數(shù)據(jù)進一步研究了該新粒子的性質(zhì)，尤其是確定了它的自旋為零。在確認這些測量都與標準模型在精度內(nèi)符合后，物理學(xué)家將“類”字從這個新粒子的名字中去除，宣布其為希格斯玻色子。在幾位最初提出這一機制的理論家中，恩格勒和希格斯于2013年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

圖7 ATLAS 與 CMS 實驗觀測到的希格斯玻色子衰變到雙光子((a)，(b))與四輕子((c)，(d))的信號

值得一提的是，ATLAS與CMS中國組的物理學(xué)家們對希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)做出了直接的重要貢獻。我國科學(xué)家直接參與了在γγ、ZZ、W+W-、等最重要衰變道尋找希格斯玻色子的工作，并且也在主要本底過程(如雙玻色子產(chǎn)生過程)的研究中取得突出成就。自希格斯玻色子發(fā)現(xiàn)后，中國組也一直處在希格斯玻色子性質(zhì)研究的最前沿。很多重要研究中都有我國物理學(xué)家活躍的身影[21，22]。

04

總結(jié)

希格斯玻色子是粒子物理標準模型的最后一塊拼圖。它的發(fā)現(xiàn)是標準模型的又一次成功，標志著人類對于物質(zhì)世界的認識邁入了新紀元。但即使在希格斯玻色子發(fā)現(xiàn)十年之后，我們對于它的認識仍然極為有限。例如，我們尚需確認希格斯玻色子與較輕的第二代乃至第一代費米子有相互作用，也并未直接測得希格斯玻色子自耦合的強度。更突出的是，標準模型有其明顯的局限性。它無法解釋包括暗物質(zhì)、暗能量、中微子質(zhì)量，宇宙正反物質(zhì)不對稱等一系列重要的觀測。通過對希格斯玻色子的進一步研究，我們不僅可以探索基本粒子的質(zhì)量起源，或許也能為揭開上述未解之謎提供突破口。

粒子物理研究的意義是深遠的，其實驗探索的過程也是漫長而艱辛的。希格斯玻色子從提出到發(fā)現(xiàn)經(jīng)過了將近半個世紀。對希格斯玻色子的研究也會在接下來幾十年內(nèi)持續(xù)在大型強子對撞機，以及在未來環(huán)形對撞機(Future Circular Collider，F(xiàn)CC)、環(huán)形正負電子對撞機(Circular Electron Positron Collider，CEPC)等正在建議建造的新一代粒子加速器大科學(xué)裝置上展開。歡迎有興趣的讀者朋友們能夠繼續(xù)關(guān)注粒子物理領(lǐng)域的進展。

致 謝感謝美國勞倫斯伯克利國家實驗室Fabio Cerruti研究員，德國馬克思·普朗克研究所Marumi Kado教授，美國馬里蘭大學(xué)劉真教授，北京大學(xué)冒亞軍教授，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)盧建新教授，以及美國加州大學(xué)伯克利分校王海辰教授的討論。

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[20] CMS Collaboration. Phys. Lett. B，2012，716：30

[21] ATLAS Collaboration. Nature，2022，607：52

[22] CMS Collaboration. Nature，2022，607：60

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