精選百科
本文由作者推薦
希格斯玻色子
標準模型里的一種基本粒子
希格斯玻色子（英語(yǔ)：Higgs boson）是標準模型里的一種基本粒子，是一種玻色子，自旋為零，宇稱(chēng)為正值，不帶電荷、色荷，極不穩定，生成后會(huì )立刻衰變。希格斯玻色子是希格斯場(chǎng)的量子激發(fā)。根據希格斯機制，基本粒子因與希格斯場(chǎng)耦合而獲得質(zhì)量。假若希格斯玻色子被證實(shí)存在，則希格斯場(chǎng)應該也存在，而希格斯機制也可被確認為基本無(wú)誤。
概述
本篇文章將希格斯玻色子簡(jiǎn)稱(chēng)為“希子”。
標準模型
早期的標準模型所倚賴(lài)的規范場(chǎng)論闡明，基本力是源自于規范不變性，是由規范玻色子來(lái)傳遞。規范場(chǎng)論嚴格規定，規范玻色子必須不帶有質(zhì)量，因此，傳遞電磁相互作用的規范玻色子（光子）不帶有質(zhì)量。光子的質(zhì)量的確經(jīng)實(shí)驗證實(shí)為零。借此類(lèi)推，傳遞弱相互作用的規范玻色子（W玻色子、Z玻色子）應該不帶有質(zhì)量，可是實(shí)驗證實(shí)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制來(lái)賦予W玻色子、Z玻色子它們所帶有的質(zhì)量。
希格斯機制
在1960年代，幾位物理學(xué)者研究出一種機制，其能夠利用自發(fā)對稱(chēng)性破缺來(lái)賦予基本粒子質(zhì)量，同時(shí)又不會(huì )抵觸到規范場(chǎng)論。這機制被稱(chēng)為希格斯機制，希格斯機制已被實(shí)驗證實(shí)。但是，物理學(xué)者仍舊不清楚關(guān)于希格斯機制的諸多細節。
這機制假定宇宙遍布著(zhù)希格斯場(chǎng)，其能夠與某些基本粒子相互作用，并且利用自發(fā)對稱(chēng)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)的標準模型。
衰變
希子是伴隨著(zhù)希格斯場(chǎng)的帶質(zhì)量玻色子，是希格斯場(chǎng)的量子激發(fā)。假若能證實(shí)希子存在，就可以推論希格斯場(chǎng)存在，就好像從觀(guān)察海面的波浪可以推論出海洋的存在。不僅如此，希格斯機制也可被確認為基本無(wú)誤。在那時(shí)期，雖然還沒(méi)有任何直接證據可以證實(shí)希格斯粒子存在，由于希格斯機制所給出的準確預測，物理學(xué)者認為，希格斯機制極有可能正確無(wú)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(wèn)題之一。
標準模型明確指出，希子的存在很難證實(shí)。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(lái)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(huì )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(guò)程也會(huì )顯示出類(lèi)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的探測器，物理學(xué)者才可觀(guān)測數之不盡的粒子碰撞事件，將獲得的紀錄數據加以分析，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，確定所得到的結果絕對不是來(lái)自偶發(fā)事件。
再華麗、再精致的理論，也需要通過(guò)實(shí)驗加以證實(shí)，才會(huì )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(shí)希子是否存在。但是，早先從實(shí)驗得到的數據只能讓他們判別希子是否可能存在于某個(gè)質(zhì)量值域。為了彌補這不足，歐洲核子研究組織在瑞士建成了大型強子對撞機（LHC）。它是全世界最先進(jìn)的粒子加速器。它的主要研究目標之一就是證實(shí)希子是否存在。
2013年，LHC的物理學(xué)者已確定發(fā)現希子，這發(fā)現強烈支持某種希格斯場(chǎng)彌漫于空間。當今，LHC仍舊在如火如荼地搜集數據，試圖明白希格斯場(chǎng)的性質(zhì)。
理論發(fā)展史
物理學(xué)者認為物質(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。根據規范場(chǎng)論，為了滿(mǎn)足定域規范對稱(chēng)性，必須引入傳遞基本力的規范玻色子。特別而言，傳遞電磁力的規范玻色子就是光子。1954年，楊振寧與羅伯特·米爾斯試圖將這關(guān)于電磁力的點(diǎn)子延伸至其他種基本力，他們提出了楊-米爾斯理論，但是規范場(chǎng)論預測規范玻色子的質(zhì)量必須為零，而零質(zhì)量玻色子傳遞的是類(lèi)似電磁力的長(cháng)程力，不適用于像弱核力或強核力一類(lèi)的短程力。
怎樣才能夠使得傳遞短程力的規范玻色子獲得質(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，在超導體里，彌漫著(zhù)一種特別的場(chǎng)，能夠使得光子獲得有效質(zhì)量，但他們并沒(méi)有明確地描述這特別場(chǎng)。1957年，約翰·巴丁、利昂·庫珀、約翰·施里弗共同創(chuàng )建了BCS理論，他們認為，由電子組成的庫珀對，形成了這特別場(chǎng)。規范對稱(chēng)性被這特別場(chǎng)隱藏起來(lái)，因此造成自發(fā)對稱(chēng)性破缺──雖然對稱(chēng)性仍舊存在于描述這物理系統的方程，但是方程的某種解并不具有這對稱(chēng)性。
南部陽(yáng)一郎于1960年將自發(fā)對稱(chēng)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，如同電子們在超導體里凝聚為庫珀對，它們會(huì )在真空里凝聚為夸克對，使得強相對作用的手征對稱(chēng)性被打破，夸克會(huì )因此獲得質(zhì)量。他又指出，在這機制里，還會(huì )出現一種新的零質(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(shí)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(lèi)零質(zhì)量玻色子的性質(zhì)給予描述。根據這定理，當連續對稱(chēng)性被自發(fā)打破后必會(huì )生成一種零質(zhì)量玻色子，稱(chēng)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(lái)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(dòng)量推測其存在。然而，事實(shí)并非如此，物理學(xué)者無(wú)法做實(shí)驗找到其存在的任何蛛絲馬跡，這事實(shí)意味著(zhù)整個(gè)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體案例，假若是規范對稱(chēng)性被打破，則不一定會(huì )出現戈德斯通玻色子，他進(jìn)一步猜測，這機制應該可以加以延伸來(lái)處理相對論性案例，但他并沒(méi)有明確地給出一個(gè)相對論性案例。這論述遭到未來(lái)諾貝爾化學(xué)獎得主沃特·吉爾伯特強烈反對。
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(zhù)，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(gè)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，假若將局部規范不變性理論與自發(fā)對稱(chēng)性破缺的概念以某種特別方式連結在一起，則規范玻色子必然會(huì )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用希格斯機制來(lái)打破電弱對稱(chēng)性，并且表述希格斯機制怎樣能夠并入稍后成為標準模型一部分的謝爾登·格拉肖的電弱理論。溫伯格指出，這過(guò)程應該也會(huì )使得費米子獲得質(zhì)量。
關(guān)于規范對稱(chēng)性的自發(fā)性破缺的這些劃時(shí)代論文，最初并沒(méi)有得到學(xué)術(shù)界的重視，因為大多數物理學(xué)者認為，非阿貝爾規范理論是個(gè)死胡同，無(wú)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（一種非阿貝爾規范理論）可以被重整化，不論是對于零質(zhì)量規范玻色子，還是對于帶質(zhì)量規范玻色子。自此以后，物理學(xué)者開(kāi)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準模型，正確地預測了弱中性流、W玻色子、Z玻色子、頂夸克、粲夸克，并且準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)域給出重要貢獻的物理學(xué)者后來(lái)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《現代物理評論》的一篇1974年文章表示，至今為止，這些理論推導出的答案符合實(shí)驗結果，但是，這些理論到底是否正確仍舊無(wú)法確定。權威著(zhù)作《希格斯狩獵者指南》的作者指明，標準模型擁有驚人的成功。現今，粒子物理學(xué)的核心問(wèn)題就是了解希格斯區的相關(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周年慶祝文獻里被公認為里程碑論文。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(diǎn)爭執，萬(wàn)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，而現在有六位人士做出了關(guān)鍵貢獻，到底應該頒發(fā)物理學(xué)最榮譽(yù)的獎給哪三位人士？（結果，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，恩格勒團隊發(fā)表了三頁(yè)論文，他們假定存在有復值標量場(chǎng)（即希格斯場(chǎng)），其數值在量子真空里不等于零，然后使用費曼圖方法演示出規范玻色子怎樣獲得質(zhì)量。恩格勒團隊并沒(méi)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用定域規范對稱(chēng)性來(lái)回避戈德斯通定理，他并沒(méi)有給出模型明確顯示戈德斯通玻色子被抵銷(xiāo)。不久之后，希格斯發(fā)表第二篇論文，他更仔細的表述這回避方法，給出一個(gè)可行模型，并且用這模型演示出規范矢量場(chǎng)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(méi)有被接受。他無(wú)法理解，為什么同樣的學(xué)術(shù)刊物，會(huì )接受一篇關(guān)于“帶質(zhì)量規范玻色子可能存在”的論文，又會(huì )否絕一篇描述“帶質(zhì)量規范玻色子實(shí)際模型”的文章。希格斯不因此而氣餒，他又添加了一些內容，從他給出的模型，他預測另外存在一種帶質(zhì)量玻色子，后來(lái)知名為“希格斯玻色子”希格斯的1966年論文推導出希子的衰變機制；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(shí)希子存在。
古拉尼團隊論文提到了恩格勒團隊與希格斯先前分別獨立發(fā)表的論文。古拉尼團隊論文是唯一對于整個(gè)希格斯機制給出完整分析的論文。這論文也推導出希子的存在，但是希格斯的希子具有質(zhì)量，而古拉尼團隊的希子不具有質(zhì)量，這結果令人疑問(wèn)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?zhuān)诠爬釄F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)量的數值沒(méi)有被任何理論限制；取至較高階，玻色子可以獲得質(zhì)量。
理論
希格斯勢與希格斯場(chǎng)
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(chǎng)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(chǎng)不為零（
）。對于繞著(zhù)帽子中心軸
的旋轉，帽頂的位置不變，而帽子谷底的任意位置會(huì )改變，因此帽頂具有旋轉對稱(chēng)性，而帽子谷底的任意位置不具有旋轉對稱(chēng)性。主條目：希格斯機制
量子力學(xué)的真空與一般認知的真空不同。在量子力學(xué)里，真空并不是全無(wú)一物的空間，虛粒子會(huì )持續地隨機生成或湮滅于空間的任意位置，這會(huì )造成奧妙的量子效應。將這些量子效應納入考量之后，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(chēng)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。描述物理系統的方程所具有的對稱(chēng)性，這最低能量態(tài)可能不具有，這現象稱(chēng)為自發(fā)對稱(chēng)性破缺。
在標準模型里，為了滿(mǎn)足定域規范不變性，規范玻色子的質(zhì)量必須設定為零；但這不符合實(shí)驗觀(guān)察結果──W玻色子與Z玻色子都已經(jīng)通過(guò)做實(shí)驗檢驗確實(shí)擁有質(zhì)量。因此，這些玻色子必須倚賴(lài)其它種機制或作用來(lái)獲得質(zhì)量。
每一個(gè)最低能量態(tài)位置都不具有旋轉對稱(chēng)性。在這無(wú)窮多個(gè)最低能量態(tài)之中，只有一個(gè)最低能量態(tài)能夠被實(shí)現，旋轉對稱(chēng)性因此被打破，造成自發(fā)對稱(chēng)性破缺，因此使規范玻色子獲得質(zhì)量，同時(shí)生成一種零質(zhì)量玻色子，稱(chēng)為戈德斯通玻色子，而希子則是伴隨著(zhù)希格斯場(chǎng)的粒子，是希格斯場(chǎng)的振動(dòng)。但這戈德斯通玻色子并不符合實(shí)際物理。通過(guò)選擇適當的規范，戈德斯通玻色子會(huì )被抵銷(xiāo)，只存留帶質(zhì)量希子與帶質(zhì)量規范玻色子。總括而言，利用自發(fā)對稱(chēng)性破缺，使得規范玻色子獲得質(zhì)量，這就是希格斯機制。在所有可以賦予規范玻色子質(zhì)量，而同時(shí)又遵守規范理論的可能機制中，這是最簡(jiǎn)單的機制。
按照希格斯機制，復值希格斯場(chǎng)（兩個(gè)自由度）與零質(zhì)量規范玻色子（橫場(chǎng)，如同光子一樣，具有兩個(gè)自由度）被變換為帶質(zhì)量標量粒子（希子，一個(gè)自由度）與帶質(zhì)量規范玻色子（戈德斯通玻色子變換為一個(gè)縱場(chǎng)，加上先前的橫場(chǎng)，共有三個(gè)自由度），自由度守恒。
費米子也是因為與希格斯場(chǎng)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。在規范場(chǎng)論里，為了滿(mǎn)足定域規范不變性，必須設定費米子的質(zhì)量為零。通過(guò)湯川耦合，費米子也可以因為自發(fā)對稱(chēng)性破缺而獲得質(zhì)量。
標準模型希子的性質(zhì)
稍微復雜一點(diǎn)，但更實(shí)際一點(diǎn)，在最小標準模型（minimal standard model）里，希格斯場(chǎng)是復值二重態(tài)，是由兩個(gè)復值標量場(chǎng)，或四個(gè)實(shí)值標量場(chǎng)組成，其中，兩個(gè)帶有電荷，兩個(gè)是中性。在這模型里，還有四個(gè)零質(zhì)量規范玻色子，都是橫場(chǎng)，如同光子一樣，具有兩個(gè)自由度。總合起來(lái)，一共有十二個(gè)自由度。自發(fā)對稱(chēng)性破缺之后，一共有三個(gè)規范玻色子會(huì )獲得質(zhì)量、同時(shí)各自添加一個(gè)縱場(chǎng)，總共有九個(gè)自由度，另外還有一個(gè)具有兩個(gè)自由度的零質(zhì)量規范玻色子，剩下的一個(gè)自由度是帶質(zhì)量的希子。三個(gè)帶質(zhì)量規范玻色子分別是W、W和Z玻色子。零質(zhì)量規范玻色子是光子。由于希格斯場(chǎng)是標量場(chǎng)（不會(huì )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。
標準模型并沒(méi)有預測希子的質(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，標準模型都有效。基于標準模型的一些不令人滿(mǎn)意的性質(zhì)，許多理論學(xué)者認為后標準模型的新物理會(huì )出現于TeV能量尺度。希子（或其他的電弱對稱(chēng)性破缺機制）能夠具有的質(zhì)量的尺度上限是1.4 TeV；超過(guò)此上限，標準模型變得不相容，因為對于某些散射過(guò)程違反了幺正性。現今，學(xué)術(shù)界有超過(guò)一百種不同關(guān)于希格斯質(zhì)量的理論預測。
理論而言，希子的質(zhì)量或許可以間接估計。在標準模型里，希子會(huì )造成一些間接效應。最值得注意的是，希格斯回路會(huì )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(guò)整體擬合從各個(gè)對撞機獲得的精密電弱數據。
希子可能會(huì )與前面提到的標準模型粒子相互作用，但也可能會(huì )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：膠子是負責傳遞強相互作用的玻色子。它們把重子內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，或在大型強子對撞機里的質(zhì)子，則最有可能發(fā)生兩個(gè)膠子（g ）碰撞在一起。制備希子最簡(jiǎn)單的方法就是兩個(gè)膠子碰撞后，經(jīng)過(guò)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，聚變反應越容易發(fā)生。實(shí)際而言，只需要考慮虛頂夸克（t）與虛底夸克（b）的貢獻，它們是質(zhì)量最大的兩種夸克。在兆電子伏特加速器、大型強子對撞機里，這是主要反應，比任何其它反應的發(fā)生次數多十倍以上。
- 矢量玻色子融合：兩個(gè)夸克分別發(fā)射一個(gè)W玻色子或Z玻色子，然后以WW或 ZZ 方式合并形成一個(gè)中性希子。在大型正負電子對撞機、大型強子對撞機里，這是第二主要反應。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(gè)中性希子。
- 頂夸克融合：兩個(gè)膠子（g）分別衰變?yōu)閮蓚€(gè)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(gè)中性希子。這反應的發(fā)生次數很少（低過(guò)兩個(gè)數量級）。
希子的衰變
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(huì )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、耦合強度等等。標準模型已將大多數這些因素設定，希子質(zhì)量是一個(gè)例外。假設希子質(zhì)量為126GeV，則標準模型預測平均壽命（mean lifetime）大約為
秒。
由于希子會(huì )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(chēng)為分支比（branching ratio），定義為這種衰變道發(fā)生的次數除以總次數。右圖展示出，標準模型預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，則耦合強度越大（呈線(xiàn)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(dòng)學(xué)約束，即希子質(zhì)量必須大于346GeV，頂夸克質(zhì)量的兩倍。假設希子質(zhì)量為126GeV，則標準模型預測最常發(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(wú)法探測到中微子。希子衰變?yōu)橐粚玻色子會(huì )給出較干凈的訊號，若果Z玻色子會(huì )繼續衰變?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(guò)夸克圈。對于這模式，最常會(huì )經(jīng)過(guò)頂夸克圈，因為頂夸克最重，也因為如此，雖然這是個(gè)單圈圖（one-loop diagram），而不是樹(shù)圖（tree-level diagram），它發(fā)生的衰變概率仍舊可觀(guān)，不容忽略。假設希子質(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(guò)程中間需要經(jīng)過(guò)費米子圈或W玻色子圈。由于光子的能量與動(dòng)量可以非常準確地測量，衰變粒子的質(zhì)量可以準確重建出來(lái)。所以，在探索低質(zhì)量希子的實(shí)驗中，這過(guò)程非常重要。
另類(lèi)模型
所有應用希格斯機制來(lái)解釋質(zhì)量問(wèn)題的模型中，最小標準模型只設定了一個(gè)復值二重態(tài)希格斯場(chǎng)，是最簡(jiǎn)單的標準模型。其它模型的希格斯場(chǎng)可能會(huì )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）設定了兩個(gè)復值二重態(tài)希格斯場(chǎng)，是在所有其它種模型中比較受到認可的模型，主要原因為
- 在所有其它種模型中，它是最小、最簡(jiǎn)單的模型。
- 它能夠添加更多物理現象，例如，帶電荷的希子。
- 它遵守標準模型的主要理論約束。
- 低能量超對稱(chēng)模型必須具有這種結構。
雙希格斯二重態(tài)模型預言五重態(tài)標量粒子的存在：兩個(gè)CP-偶性的中性希子 h、H，一個(gè)CP-奇性的中性希子 A，和兩個(gè)帶電荷希子 H、H。不同版本的2HDM與最小標準模型的分辨方法主要建立于它們的耦合常數與希格斯衰變的分支比都不相同。在模型I里，一個(gè)二重態(tài)能與所有種類(lèi)的夸克耦合，另一個(gè)二重態(tài)則不能與任何夸克耦合。在模型II里，一個(gè)二重態(tài)能與上型夸克（up-type quark）耦合，另一個(gè)二重態(tài)則與下型夸克（down-type quark）耦合。超對稱(chēng)模型（SUSY）是標準模型的一種延伸，屬于2HDM模型II。在超對稱(chēng)模型中，最小超對稱(chēng)模型（MSSM）的希格斯機制產(chǎn)生的希子數量最少。在最小標準模型里，希子質(zhì)量基本而言是一個(gè)自由參數，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的模型參數會(huì )被強列約束。
在藝彩理論（technicolor theory）里，兩個(gè)強烈束縛的費米子所形成的粒子對扮演了希格斯場(chǎng)的角色。頂夸克凝聚理論（top quark condensate theory）提出希格斯場(chǎng)被頂夸克與反頂夸克共同組成的復合場(chǎng)替代的概念。有些模型完全不提供希格斯場(chǎng)，電弱對稱(chēng)性破缺是倚賴(lài)額外維度來(lái)達成。
實(shí)驗探索
為了要制成希子，在粒子對撞機里，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(shí)候，異乎尋常地，會(huì )因此生成產(chǎn)物希子。但是希子會(huì )在生成后會(huì )在非常短暫時(shí)間內發(fā)生衰變，無(wú)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(shí)驗數據，重建衰變過(guò)程，假若符合希子的某種衰變道，則歸類(lèi)為希子可能被生成事件。實(shí)際而言，很多種過(guò)程都會(huì )出現類(lèi)似的衰變特征。很慶幸地是，標準模型精確地預言所有可能衰變模式與對應的或然率，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，則這應該是希子存在的強烈證據。
在大型強子對撞機里，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(lèi)似的衰變特征，物理學(xué)者必須搜集與分析幾百萬(wàn)億個(gè)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。在確認發(fā)現新粒子之前，兩個(gè)獨立的粒子探測器（ATLAS與CMS）所觀(guān)測到的衰變特征出自于背景隨機標準模型的事件概率，都必須低于百萬(wàn)分之一，也就是說(shuō)，觀(guān)測到的事件數量比沒(méi)有新粒子的事件數量，兩者之間相異的程度為5個(gè)標準差。更多碰撞數據能夠讓物理學(xué)者更為正確地辨認新粒子的物理性質(zhì)，從而決定新粒子是否為標準模型所描述的希子，還是其它種假想粒子。
低能量實(shí)驗設施可能無(wú)法找到希子，必須建造一座高能量粒子對撞機，這對撞機還需要具有高亮度來(lái)確保搜集到足夠的碰撞數據。另外，還需要高功能電腦設施來(lái)有序處理大量碰撞數據（大約25petabyte每年）。至2012年為止，它的附屬電腦設施，全球大型強子對撞機計算網(wǎng)格（Worldwide LHC Computing Grid）已處理了超過(guò)三百萬(wàn)億（
）個(gè)碰撞事件。這是全球最大的計算網(wǎng)格，隸屬于它的170個(gè)電算設施，散布在36國家，是以分布式計算的模式連結在一起。
2012年7月4日以前的探索
最早大規模搜尋希子的實(shí)驗設施是歐洲核子研究組織的大型正負電子對撞機，它在1990年代開(kāi)始運作，直到2000年為止，但它并沒(méi)有找到希子的確切存在證據，這是因為它的專(zhuān)長(cháng)是精密測量粒子的性質(zhì)。根據大型正負電子對撞機所收集到的數據，標準模型希子的質(zhì)量下限被設定為114.4 GeV，置信水平95%。這意味著(zhù)假若希子存在，則它應該會(huì )重于114.4GeV/c。
費米實(shí)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)現了頂夸克。為了搜尋希子，設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(huì )發(fā)現希子。在那時(shí)期，它是唯一正在運作中的超級對撞機，大型強子對撞機正在建造，超導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，由于能量與亮度無(wú)法與建成的大型強子對撞機競爭，于2011年9月30日除役。從分析獲得的實(shí)驗數據，兆電子伏特加速器團隊排除希子的質(zhì)量在100-103GeV、147-180GeV以?xún)龋眯潘?5%。在能量115–140GeV之間區域，超額事件的統計顯著(zhù)性為2.5個(gè)標準差，這對應于在550次事件中，有一次事件是歸咎于統計漲落。這結果仍舊未能達到5個(gè)標準差，因此不能夠作定論。
歐洲核子研究組織的大型強子對撞機（LHC）的設計目標之一為能夠確認或排除希子的存在。在瑞士日內瓦附近鄉村的地底下，圓周為27km的坑道里，兩個(gè)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(lái)還可提升至
TeV（總共14TeV）。根據標準模型，假若希子存在，則這么高能量的碰撞應該能夠將它揭露出來(lái)。這是史上最復雜的科學(xué)設施之一。在開(kāi)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(gè)超導磁鐵被毀壞、真空系統被污染，整個(gè)運作被迫延遲了14個(gè)月，直到2009年11月才再度重新運作。
2010年3月，LHC開(kāi)始緊鑼密鼓地進(jìn)行數據搜集與分析。2011年12月，LHC的兩個(gè)主要粒子探測器，超環(huán)面儀器（ATLAS）和緊湊μ子線(xiàn)圈（CMS）的實(shí)驗團隊，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，統計顯著(zhù)性為3.6個(gè)標準差，CMS在質(zhì)量范圍124GeV探測到超額事件，統計顯著(zhù)性為2.6個(gè)標準差。由于統計顯著(zhù)性并不夠大，尚無(wú)法做結論或甚至正式當作一個(gè)觀(guān)察事件。但是，兩個(gè)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(shí)使得粒子物理社團極其振奮，期望能夠在檢驗完畢2012年的碰撞數據之后，于明年年底排除或確認標準模型希子的存在。CMS團隊發(fā)言人吉多·桐迺立（Guido Tonelli）表示：“統計顯著(zhù)性不夠大，無(wú)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。更仔細的分析與這精心打造的巨環(huán)在2012年所貢獻出的更多數據必定會(huì )給出一個(gè)答案。”
發(fā)現新玻色子
2012年6月22日，歐洲核子研究組織發(fā)表聲明，將要召開(kāi)專(zhuān)題討論會(huì )與新聞發(fā)布會(huì )，報告關(guān)于尋找希子的最新研究結果。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(huì )正式宣布證實(shí)希子存在。
7月4日，歐洲核子研究組織舉行專(zhuān)題討論會(huì )與新聞發(fā)布會(huì )宣布，緊湊μ子線(xiàn)圈發(fā)現質(zhì)量為
的新玻色子，標準差為4.9；超環(huán)面儀器發(fā)現質(zhì)量為126.5GeV的新玻色子標準差為4.6。物理學(xué)者認為這兩個(gè)粒子可能就是希子。歐洲核子研究組織的所長(cháng)說(shuō)：“從一個(gè)外行人的角度來(lái)說(shuō)，我們已經(jīng)發(fā)現希子了；但從一個(gè)內行人的角度來(lái)說(shuō)，我們還需要更多的數據。”
一旦將其它種類(lèi)的緊湊μ子線(xiàn)圈相互作用納入計算，這兩個(gè)實(shí)驗達到局部統計顯著(zhù)性5個(gè)標準差──錯誤概率低于百萬(wàn)分之一。在新聞發(fā)布之前很長(cháng)一段時(shí)間，兩個(gè)團隊彼此之間不能互通訊息，這樣才能確保每一個(gè)團隊得到的結果不會(huì )受到另一個(gè)團隊的影響而發(fā)生任何偏差，這也可以讓兩個(gè)團隊各自獨立得到的研究結果可以彼此相互核對。
如此規格的證據，通過(guò)兩個(gè)被隔離團隊與實(shí)驗的獨立確定，已達到確定發(fā)現所需要的正式標準。歐洲核子研究組織的治學(xué)態(tài)度非常嚴謹，不愿意引人非議；歐洲核子研究組織表明，新發(fā)現的粒子與希子相符，但是物理學(xué)者尚未明確地認定這粒子就是希子，仍舊需要更進(jìn)一步搜集與分析數據才能夠做定論。換句話(huà)說(shuō)，從實(shí)驗觀(guān)測顯示，新發(fā)現的玻色子可能是希子，很多物理學(xué)者都認為非常可能是希子，現在已經(jīng)證實(shí)有一個(gè)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(xiàn)圈小組和超環(huán)面儀器小組分別提交了新的探測結果的論文，將這種疑似希子的粒子的質(zhì)量確定為緊湊μ子線(xiàn)圈的125.3 GeV（統計誤差：
、系統誤差：
、統計顯著(zhù)性：5.8個(gè)標準差）和超環(huán)面儀器的126.0 GeV（統計誤差： 、系統誤差： 、統計顯著(zhù)性：5.9個(gè)標準差）。
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(xiàn)圈探測器里，從質(zhì)心能量為8 TeV的質(zhì)子-質(zhì)子碰撞事件記錄數據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(kāi)確認：
- "緊湊μ子線(xiàn)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(chēng)可能會(huì )產(chǎn)生的狀況仔細分析比較，這些都指向零自旋與偶宇稱(chēng)（符合標準模型的兩個(gè)對于希子的基要判據）。這事實(shí)，再加上測量到的新粒子與其它粒子彼此之間的相互作用，強烈顯示這就是希子。
這也是第一個(gè)被發(fā)現的基本標量粒子。以下列出幾個(gè)檢試這125GeV粒子是否為希子的實(shí)驗項目：
- 玻色子：只有玻色子才能夠衰變?yōu)閮蓚€(gè)光子。從實(shí)驗已觀(guān)常到這125GeV粒子能夠衰變?yōu)閮蓚€(gè)光子，因此，這粒子是玻色子。
- 偶宇稱(chēng)（正宇稱(chēng)）：從研究衰變產(chǎn)物運動(dòng)軌道的角度，可以查得到底是偶宇稱(chēng)還是奇宇稱(chēng)。有些理論主張，可能存在有膺標量（pseudoscalar ）希子，這種粒子擁有奇宇稱(chēng)。2013年3月，125GeV粒子的宇稱(chēng)暫時(shí)確認為正宇稱(chēng)。排除零自旋奇宇稱(chēng)假說(shuō)，置信水平超過(guò)99.9%。
- 衰變道：標準模型已對希子的衰變模式給出詳細預測，證實(shí)希格斯場(chǎng)可以與費米子相互作用。這意味著(zhù)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(shí)驗初始得到的分支比（branching ratio）或衰變率結果稍微高過(guò)預期值，意味著(zhù)這粒子的物理行為可能更為怪異，但是，CMS團隊領(lǐng)導約瑟·英侃德拉（Joseph Incandela）認為，這分歧并不嚴峻。
- 與質(zhì)量相耦合：希子必須能夠通過(guò)希格斯場(chǎng)與質(zhì)量相耦合，也就是說(shuō)，與W玻色子、Z玻色子相耦合。對于標準模型希子而言，所涉及的耦合常數。從分析LHC實(shí)驗得到的數據，CV在標準模型數值的 15%內，置信水平95%。
- 高能量碰撞結果仍舊與先前一致：在大型強子對撞機2015年重新開(kāi)啟之后，碰撞能量將達到設計的13 – 14 TeV，未來(lái)實(shí)驗將專(zhuān)注于尋找其它種類(lèi)的希子（如同某些理論預測）與檢試其它版本的粒子理論，實(shí)驗獲得的高能量結果必須與希格斯理論一致。
色子衰變
2021年2月16日，據美國趣味科學(xué)網(wǎng)站報道，歐洲核子研究中心的科學(xué)家近日發(fā)現了希格斯玻色子衰變?yōu)閮蓚€(gè)輕子（帶相反電荷的電子或μ子對）和一個(gè)光子——“達利茲衰變”的首個(gè)證據，這是研究人員在大型強子對撞機（LHC）上發(fā)現的最罕見(jiàn)的希格斯玻色子衰變之一，有助科學(xué)家發(fā)現新物理學(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(zhù)有粒子物理方面的科普書(shū)籍《上帝粒子：如果宇宙是答案，那么問(wèn)題是什么？》，后來(lái)媒體也沿用了這一稱(chēng)呼，常常將希子稱(chēng)作是“上帝粒子”（The God Particle）。這一稱(chēng)呼激起了公眾媒體對于希子的關(guān)注和興趣。萊德曼說(shuō)他以“上帝粒子”為這粒子命名是因為這粒子“在當今物理學(xué)中處于極為中心的位置，對我們理解物質(zhì)的結構極為關(guān)鍵、也極為難以捉摸”。不過(guò)他也開(kāi)玩笑地補充說(shuō)另一個(gè)原因是“圖書(shū)出版商不讓他把這粒子稱(chēng)作‘該死的粒子（Goddamn Particle）’，盡管這別稱(chēng)可能更恰當地表達了希子杳無(wú)蹤跡的性質(zhì)以及人們?yōu)橹冻龅拇鷥r(jià)與遭受到的挫折感。”然而，許多科學(xué)家卻不喜歡這一稱(chēng)呼，因為它過(guò)分強調了這粒子的重要性和太宗教化。而且即使這粒子被發(fā)現，物理學(xué)者仍舊無(wú)法回答一些關(guān)于強相互作用、電弱相互作用、引力相互作用的統一化問(wèn)題，以及宇宙的起源問(wèn)題；希格斯本人是無(wú)神論學(xué)者。
有關(guān)爭議
參見(jiàn)
- 希格斯機制
- 希格斯場(chǎng)
- 希格斯玻色子的實(shí)驗探索
- 探尋希格斯玻色子時(shí)間軸
- 玻色-愛(ài)因斯坦統計
新聞報道
2022年10月24日消息，大型強子對撞機（LHC）緊湊渺子線(xiàn)圈（CMS）國際合作組在最新一期《自然·物理學(xué)》雜志上撰文指出，他們對希格斯玻色子的質(zhì)量分布——“寬度”作了迄今最精確測量：3.2兆電子伏特。這與標準模型預測一致，但比此前測量更精確，此前測量?jì)H指出其寬度必須小于9.2兆電子伏特。
參考資料
[1]
罕見(jiàn)希格斯玻色子衰變首證發(fā)現 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-人民日報數字傳播[引用日期2022-10-24]
希格斯玻色子相關(guān)的文章
開(kāi)羅（英文：Cairo；阿拉伯文：???????????），是埃及的首都，同時(shí)也是埃及、非洲及阿拉伯世界最大的城市。城市橫跨尼羅河，為整個(gè)中東地區的政治、經(jīng)濟、文化和交通中心，位于埃及的東北部。開(kāi)羅占地3085km2，人口數量2280萬(wàn)（2017年），擁有著(zhù)名景點(diǎn)金字塔群，埃及博物館，解放廣場(chǎng)。
迦瑪爾·阿卜杜爾·納賽爾（阿拉伯語(yǔ)：???? ??? ???????/英語(yǔ)：Gamal Abdel Nasser，1918年1月15日–1970年9月28日），是埃及的第二任總統，前任為納吉布，他被認為是歷史上最重要的埃及領(lǐng)導人之一。
《太平寰宇記》是古代中國地理志史，記述了宋朝的疆域版圖。廣泛引用歷代史書(shū)、地志、文集、碑刻、詩(shī)賦以至仙佛雜記等，計約二百種，且多注明出處，保留了大量珍貴的史料。宋太宗趙炅時(shí)地理總志；樂(lè )史撰，二百卷，是繼《元和郡縣志》后又一部現存較早較完整的地理總志。
舊石器時(shí)代（Paleolithic；距今約300萬(wàn)年～距今約1萬(wàn)年），以使用打制石器（見(jiàn)石器）為標志的人類(lèi)物質(zhì)文化發(fā)展階段。地質(zhì)時(shí)代屬于上新世晚期到更新世，從距今約300萬(wàn)年前開(kāi)始，延續到距今1萬(wàn)年左右止。
姜云生本詞條是多義詞，共2個(gè)義項中國區商業(yè)銀行總經(jīng)理獲北京突出貢獻金融人才稱(chēng)號姜云生出生于1973年1月，山東濱州人。1994年畢業(yè)于山東工程學(xué)院（現山東理工大學(xué)），獲工學(xué)學(xué)士。1999年畢業(yè)于廈門(mén)大學(xué)經(jīng)濟系，獲經(jīng)濟學(xué)碩士。曾于1997－1998年就讀于南京大學(xué)霍普金斯大學(xué)中美文化研究中心。
尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
作者
