首次观测到higgs粒子 人类迎认知宇宙的新篇章

位于瑞士日内瓦西北部郊区的欧洲核子研究中心庄严而静谧，全世界能量最高的强子对撞机（LHC，The large hadron collider）便坐落于此。

如今距 2012 年 LHC 发现“上帝粒子”——希格斯波色子已经过去六年的时间。然而就在近日，LHC 再次传来振奋全球物理界的好消息，为"希格斯传奇"再添新篇章：研究者首次明确无误的（超过 5-sigma 阈值）观察到希格斯玻色子衰变的最大概率的衰变：希格斯波色子衰变为一种叫做底夸克的粒子和它的反物质粒子，即衰变为一对正反底夸克（bottom quark）。

这项里程碑式的研究成果有着及其重要的意义，填补对希格斯粒子认知的一大空白，并对解释夸克质量的希格斯机制（Higgs mechanism）进一步证实，帮助科学家们更好的理解标准模型和宇宙的运行。

希格斯场追梦之旅

希格斯玻色子赋予基本粒子以质量，并可以衰变成不同粒子。本次观察到希格斯玻色子的这种最大概率衰变模式不仅是科学知识的一大进步，更有着深远的影响。这还要从希格斯场理论说起。事实上，1964 年提出的希格斯场理论并不是一个从根本上创新的理论，而只是在标准模型的基础上，对次原子粒子的行为进行描述，像是标准模型的一个“创可贴”。

在 20 世纪 60 年代，研究人员致力于研究电磁力与弱核力之间的联系，其中弱核力是导致某些类型放射性衰变的原因。虽然这两股力看起来截然不同，但事实证明，它们都是由一种共同的、更基本的力——称为弱电相互作用（electroweak interaction）——所产生的。

然而，这就会存在一个问题。根据这个理论，所有的规范粒子都是零质量的。但是即便是在当时，物理学家就知道次原子粒子是有质量的，这就是这个理论最致命的缺陷。对于这个问题，几个研究小组提出了一个解：一个假定遍布于全宇宙的量子场——希格斯场（Higgs field），次原子基本粒子与这个场相互作用并获得质量。

而希格斯场的存在还意味着另一种次原子粒子的存在：希格斯玻色子。这个粒子最终在 2012年被欧洲核子中心（CERN）的研究者通过大型强子对撞机 LHC所发现。而正是由于预测了希格斯场的存在，英国物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）和比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒特（François Englert）共同获得了 2013 年诺贝尔物理学奖。

然而，发现希格斯波色子并没有标志着探索希格斯波色子研究的终结。希格斯玻色子的质量为125 GeV（千兆电子伏特），是质子质量的 133 倍。根据公认的理论计算，Higgs 玻色子会以特定的概率衰变为以下粒子对（注：括号内为衰变概率）：底夸克（58%）、W 玻色子（21%）、Z 玻色子（6%）、t 轻子（2.6%）和光子（0.2%），其余由其他的奇特粒子构成。早在 2012 年宣布发现希格斯玻色子时，物理学家证实了希格斯玻色子能衰变为 Z 玻色子、W 玻色子和 t 光子（这些特殊的衰变粒子更容易被识别）。虽然这些衰变具有重要意义，但其在希格斯玻色子的衰变中占比不到 30%。令人感觉讽刺的是，希格斯玻色子最大概率的衰变：希格斯波色子衰变成一对底夸克（占比高达 58%），反而一直没有被观察到。

寻找底夸克

事实上，观测希格斯波色子衰变成一对底夸克一直以来被认为是不可能的事。一方面，希格斯波色子作为标准模型中人类了解最为有限、最为晦涩的粒子，产生于加速到几近光速的几对粒子之间的高能碰撞。而这些玻色子的寿命很短——只有大约 10^-22 秒。试想一个如此短暂存在的粒子，虽然以光速前进，也早在传播一个原子尺度之前就会发生衰变。所以，人类根本无法直接观察到希格斯玻色子，而只是有可能观察到它们的衰变产物，以此来推测母体玻色子的性质。在 LHC 中可行的碰撞能条件下，在 10 亿次碰撞中只有一次能产生希格斯玻色子。

另一方面，LHC 中的大量对撞是通过强核力相互作用实现的，这是目前为止最强的次原子力，主要用于保持原子核结合在一起。然而问题是：在强核力相互作用中，产生正反底夸克对是很普遍的。所以，由希格斯玻色子衰变产生的底夸克，完全被由更普遍的相互作用过程产生的底夸克所淹没。这就导致几乎不可能分辨出由希格斯玻色子衰变而产生的底夸克，寻找由希格斯波色子衰变而成的底夸克犹如大海捞针。

更新实验手段

虽然十分困难，但科学家们选择另辟蹊径，把希格斯玻色子衰变为底夸克的那些碰撞分辨出来。所以，研究者转向另一类碰撞——希格斯玻色子与 W 或 Z 玻色子同时产生的碰撞，研究者将这一类碰撞称为“协同发生”（Associated production）。

W 及 Z 玻色子是引起弱核力的基本粒子，它们能以不同且易于识别的方式衰变。"协同发生"碰撞比非协同的希格斯玻色子发生的次数还要少，但是 W 或 Z 玻色子的存在，标记了碰撞事件，极大地增强了研究者识别包含希格斯玻色子的碰撞事件的能力。“协同发生”希格斯玻色子的技术是由位于芝加哥的费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory）首创的。然而由于他们的设备是低能粒子加速器，这个实验室至今还没机会可以声称他们发现了希格斯玻色子，但他们提供的技术知识对于如今的新发现产生了主要的推动作用。

此次观测动用了欧洲核子中心的 LHC 加速器拥有两个能够观测希格斯玻色子的大型探测器：紧凑介子线圈（CMS）和超环面仪器（ATLAS）。“发现一个看起来像是希格斯波色子衰变为底夸克的事件是远远不够的，”CMS 研究人员，来自普林斯顿大学的 Chris Palmer 说到，“我们需要得到成百上千次以上的结果，明显的区别于那些相似的背景噪声，然后才能宣布这个结果。”另外，所得的结果还需要 CMS 和 ATLAS 的共同验证。如今，结合“协同发生”技术，LHC 终于可以宣称实验上可观察的希格斯玻色子的衰变副产物：正反底夸克对。而且，本次CMS 的实验结果发现了极好的一致性，预测值与观测值之比为 1.04±0.20，而 ATLAS 的测量值也是相似的（1.01±0.20）。

留给潜在的未知粒子的空间不多了

虽然这一实验结果还没指明希格斯玻色子究竟从哪里来，但观测中的高度一致性表明了当前理论模型的正确性。美国伊利诺伊大学的 Jessie Shelton 表示：“观察到这一衰变，是证明标准模型预测下，希格斯波色子可以赋予物质质量的第一个直接的证据。这就意味着，留给潜在的未知粒子的空间已经不多了。”另外，类似高精度的实验不仅可以让物理学家们验证标准模型，还可以让他们挑战标准模型的预测。“目前为止，标准模型一直在胜利。”来自 ATLAS 的物理学家 James Beacham 表示,“然而，如果我们发现了不那么标准的粒子，比如奇怪的向量夸克，螺旋夸克或暗物质，那么我们将会对宇宙的运行具有更深的了解。”

据悉，欧洲核子中心的 LHC 将继续运作到 12 月初，然后会停机两年以进行整修和升级。未来，到 2021 年春季，它将强势回归，恢复运作。

到那时，LHC 预计将持续运作至 21世纪 30 年代中期并持续获取数据，预计记录数据将比迄今所记录的数据多 30 多倍。

关键词： higgs粒子