最新《物理》杂志：Higgs 玻色子可能已经被发现

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Howard E. Haber，圣克鲁兹，加州大学物理系，圣克鲁兹1156大街，CA95064，USA

2012-03-13发布  |  Physics 5, 32 (2012)  |  DOI: 10.1103/Physics.5.32


    激动人心的线索表明Higgs玻色子可能已经在大型强子对撞机上被发现。

    W和Z玻色子作为弱力的载体大致上比质子重100倍，而光子作为电磁力的载体却是无质量的。依照对称性原理，人们曾以为W、Z和光子（统称规范玻色子）都是无质量的。但为了实现必要的对称性破缺，人们必须构造一组特殊的新粒子和相互作用来为基本粒子的质量起源提供最终解释。包含在粒子物理标准模型中的一种最简单的方法预言了一种叫Higgs玻色子的存在[1]。Higgs玻色子和标准模型里的夸克、轻子以及规范玻色子的相互作用可以用这个理论唯一地确定，但是Higgs玻色子的质量却是一个自由参数，只能由实验确定[2]。

    大型强子对撞机（LHC）的一个重要任务是通过发现标准模型中的Higgs玻色子来查明引起质量的来源（要是Higgs没被发现，也可能会发现与对称破缺机制有关的其他现象）。现在有3篇文章发表在Physical Review Letters上，两篇来自ATLAS合作组[3,4]，一篇来自CMS合作组[5]，报告了在LHC高能质子对撞碎片中寻觅的进展。这些搜寻的结果以及准备发表的另外一些结果[6]，在2011年12月已经公布了。总的来说，他们证明了标准模型Higgs玻色子如果存在，一定会在126千兆电子伏特（Gev）附近。在这个质量值附近的超量事例提供了一个诱人的可能，长期寻觅的粒子濒临发现了。

    尽管LHC接管了寻找Higgs玻色子的任务，但它利用了之前实验积累的认识。这些经验已经告诉我们Higgs质量可能或不太可能在哪些地方。在CERN的LEP[7]（已于2000年关闭）对撞机实验里头，人们发现标准模型中的Higgs玻色子质量不可能低于114GeV，随后在费米实验室Tevatron[8]（已于2011年关闭）上获得的数据排除了156到177GeV质量区间的Higgs玻色子。（在粒子物理中质量常常等价表示成对应的能量。）除去直接的发现外，在LEP和Tevatron对撞机上获得的数据还能对Higgs质量允许范围提供额外的约束。在LEP和Tevatron对撞机上的测量结果与理论预测进行比较。基于在标准模型框架下对数据的统计分析（框架间接由未知的Higgs质量决定），Higgs质量不可能大于169GeV[9]。综合上述对Higgs质量范围的直接检索和间接约束，标准模型只能允许114到156GeV间的Higgs玻色子存在[10]。

    如果Higgs玻色子在高能对撞中生成，理论上它应该非常不稳定，马上衰变成更轻的基本粒子。标准模型预言了Higgs玻色子衰变成特定末态粒子的相对几率，如图1所示，这都是粒子物理学家力争测量到的超本底事例（本底事例，即其他众多过程产生的同样末态）的粒子。

改编自A. Denner等. [11]

图1 往哪找Higgs？

    标准模型预言了Higgs玻色子衰变成特定末态粒子的几率（或“分支比”记作BR）。作为例子，Higgs玻色子衰变成两光子（粉红线）的可能性比衰变成b夸克对（黑线）的可能性低得多，但是两光子末态的本底明显不如b夸克末态那么严重，因此这是一个寻找Higgs玻色子的好地方。LHC对Higgs搜寻用到的其他末态分支比也列出了；线宽表示理论上的不确定度。


    2011年，LHC在7兆电子伏特（TeV）下将两束质子流对撞。平均来说，每秒会有超过1亿次对撞发生，但是这些对撞大多是“常见的”，因为它们只涉及最普通的基本粒子。如果标准模型是对的，那么在少数情况下应该会有Higgs玻色子出现。假如Higgs落在预料中的质量范围，那2011年ATLAS和CMS对撞机的探测器里大约就产生了75,000个Higgs玻色子。

    如图1所示，对小于135GeV的Higgs质量，大多数Higgs玻色子应该衰变成一对b夸克。然而，因为LHC每秒产生如此多的b夸克，b夸克本底会淹没有关Higgs玻色子的微弱信号。反而，衰变成两光子的稀有事例（大概五百分之一的概率，图1中的粉红线）才是真正找寻Higgs玻色子的好地方。在2011年的LHC数据中，衰变成光子对的Higgs玻色子应该少于150个，尽管两光子事件仍存在本底，但在统计上是容易处理的。被ATLAS所发现[4]的是一些潜在值得注意的超本底两光子事件，它们的不变质量集中在126GeV附近。（虽然每个光子都是无质量的，但是双光子对可以共同获得一个取决于运动学属性的质量值，叫做不变质量）如果这两个光子源自Higgs玻色子的衰变，那么它们的不变质量便是衰变了的Higgs玻色子质量，一个126GeV的Higgs质量。

    另外一个稀有但显著的Higgs衰变（对应图1中标有ZZ的浅蓝曲线）是衰变成Z玻色子跟一对电子或μ子（统称轻子）。随后Z玻色子还会衰变成轻子对。这样，Higgs衰变的最终结果是一个四轻子事件。再一次，仍然有常见过程的本底，但这个本底同样是可处理的。CMS在对四轻子末态的搜寻中，已经排除了Higgs玻色子存在于一个重要质量区间的可能性[5]。事实上，在标准模型首选的Higgs质量范围里，CMS排除了大于134GeV的Higgs质量。然而，CMS也识别到在四轻子事件里头，119GeV、126GeV和320GeV的不变质量区间里均有超出。虽然三个观察结果中没有一个有显著的统计可靠性，但其他实验测量提供了一些指引：320GeV的超出可能是普通的统计涨落，而根据ATLAS的两光子数据[4]，126GeV的超出更为引人注目。事实上，一个126GeV的Higgs玻色子应该会在本底上产生几个四轻子事件，正如CMS观察到的一样[5]。而119GeV的超出以目前的数据量还难以解释。

    好，那么到目前为止，我们的进展到底如何呢？无论上述的多个本底超出是否统计涨落，ATLAS和CMS合作组已经明显缩小了允许标准模型Higgs玻色子存在的质量范围。这些结果连同ATLAS和CMS对其他衰变末态的搜寻[3,6]（例如[3]ATLAS对衰变成W玻色子的检测），以及之前实验对Higgs质量的约束，确定了标准模型中的Higgs玻色子（要是存在）质量必定在115.5GeV到127GeV之间[12]。此外，把126GeV的不变质量事件超出定为可能的Higgs玻色子质量是值得考虑的。

    不过，这个诱人的线索（还）不算观察到了Higgs玻色子，更算不上Higgs玻色子的发现。统计资料并不够充分，然而2012年LHC收集的数据会是决定性的，因为对撞机会被加强到8TeV，预期的数据样本将比2011年多3倍。可以推断要是标准模型Higgs玻色子存在于预定的质量区间，那么2012年的数据量标志着一个统计上的显著信号（5个标准差或更好）会出现。如果这发生了，我们可以声称Higgs玻色子被发现了吗？严格来说，不可以。如果得到预期信号（在统计误差内），那么只可以认为这个信号与标准模型Higgs玻色子一致，必须有更多的数据去仔细确认新粒子的性质是否与标准模型Higgs玻色子的理论预言吻合。如果信号明显偏离理论预言，或者在对2012年的LHC数据进行分析后，信号的统计显著性大幅减少，那么将在全部可能的质量范围内排除标准模型Higgs玻色子的存在，这样，标准模型中最简单的对称破缺机制将必须被更复杂的对称破缺机制取代。无论自然界如何选择，2012年注定会成为粒子物理学的转折年。


参考文献

1. For a fascinating exposition of the history of the Higgs boson, see Frank Close, The Infinity Puzzle (Oxford University Press, Oxford, 2011)[Amazon][WorldCat].

2. For reviews of Higgs boson theory and phenomenology, see e.g., M. Carena, and H.E. Haber, Prog. Part. Nucl. Phys. 50, 63 (2003); A. Djouadi, Phys. Rept. 457, 1 (2008).

3. G. Aad et al. (ATLAS Collaboration), Phys. Rev. Lett. 108, 111802 (2012).

4. G. Aad et al. (ATLAS Collaboration), Phys. Rev. Lett. 108, 111803 (2012).

5. S. Chatrchyan et al. (CMS Collaboration), Phys. Rev. Lett. 108, 111804 (2012).

6. G. Aad et al. (ATLAS Collaboration), Phys. Lett. B (2012), DOI: 10.1016/j.physletb.2012.02.044 (to be published); S. Chatrchyan et al. (CMS Collaboration), Phys. Lett. B (2012), DOI: 10.1016/j.physletb.2012.02.064 (to be published).

7. ALEPH Collaboration, DELPHI Collaboration, L3 Collaboration, OPAL Collaboration, and The LEP Working Group for Higgs Boson Searches, Phys. Lett. B 565, 61 (2003).

8. TEVNPH (Tevatron New Phenomena and Higgs Working Group) and CDF and D0 Collaborations, arXiv:1107.5518 (hep-ex).

9. M. Baak, M. Goebel, J. Haller, A. Hoecker, D. Ludwig, K. Moenig, M. Schott, and J. Stelzer, arXiv:1107.0975 (hep-ph).

10. Based on the most recent data reported (http://tevnphwg.fnal.gov/results/SM_Higgs_Winter_12/) by the Tevatron experimental collaborations on 7 March, 2012 (without the constraints from the 2011 LHC data), the upper bound of the standard model Higgs mass is lowered to 147 GeV.

11. A. Denner, S. Heinemeyer, I. Puljak, D. Rebuzzi, and M. Spira, Eur. Phys. J. C 71, 1753 (2011).

12. The most recent combined ATLAS analysis of the 2011 data reported on March 7, 2012 (https://atlas.web.cern.ch/Atlas/ ... TLAS-CONF-2012-019/) excludes standard model Higgs masses below 122.5 GeV (although ATLAS cannot quite exclude masses between 117.5 GeV and 118.5 GeV). Thus, the only standard model Higgs masses that are not excluded are most likely to lie between 122.5 and 127 GeV.

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