希格斯玻色子的實驗探索

電腦模擬繪製的希格斯玻色子出現事件。

希格斯玻色子的實驗探索（search for the Higgs boson）指的是從實驗中證實希格斯玻色子存在與否？這是一個極為重要的基礎物理問題。物理學者花費四十多年時間尋找它。至今為止，全世界最昂貴、最複雜的實驗設施之一，大型強子對撞機（LHC），其建成的主要目的之一就是尋找與觀察希格斯玻色子與其它種粒子。2012年7月4日，歐洲核子研究組織（CERN）宣布，LHC的緊湊渺子線圈（CMS）探测到质量为125.3±0.6GeV的新玻色子（超過背景期望值4.9个标准差），超環面儀器（ATLAS）测量到质量为126.5GeV的新玻色子（5个标准差），这两種粒子极像希格斯玻色子。2013年3月14日，歐洲核子研究組織發表新聞稿正式宣布，先前探測到的新粒子是希格斯玻色子，並且暫時確認具有 + 宇稱與零自旋，這是希格斯波色子應該具有的兩種基本性質，但有一部分實驗結果不盡符合理論預測，更多數據仍舊等待處理與分析。

2013年10月08日，因為“次原子粒子質量的生成機制理論，促進了人類對這方面的理解，並且最近由歐洲核子研究組織屬下大型強子對撞機的超環面儀器及緊湊緲子線圈探測器發現的基本粒子證實”，弗朗索瓦·恩格勒、彼得·希格斯榮獲2013年諾貝爾物理學獎。

如同其它帶質量粒子（例如，頂夸克、W及Z玻色子）的衰變行為，希格斯玻色子會在非常短暫時間內衰變成其它粒子，因此無法做實驗直接觀測到希格斯玻色子。但是，標準模型精確地預言所有可能衰變方式與其對應或然率，假若能夠仔細檢驗碰撞的衰變產物，就可以追蹤希格斯玻色子的生成與衰變。1980年代，隨著不斷發展的粒子加速器的建成，實驗探索開始釋出關於希格斯玻色子的訊息。

由於假定存在的希格斯玻色子的可能質量值域非常寬廣，需要建造很多尖端設施來進行實驗探索。這包括功能強大的粒子加速器、偵測。另外，還需要高功能電腦設施來處理與分析大量數據。所有可能質量都必須一個值域一個值域的仔細檢驗，逐漸縮緊探索範圍。

實驗探索的當前目標是找到可能是希格斯玻色子的粒子。假若能夠找到這粒子，下一步是仔細研究其性質，查明是否與標準模型預言的希格斯玻色子性質相同。假若性質相同，則可以證實新粒子的確是希格斯玻色子；否則，可能是生成截面不同，或者是衰變分支比（branching ratio）不同，那麼就必須將標準模型加以修正。

本篇文章從下段落起，將希格斯玻色子簡稱為「希子」。

概述

為了要生成希子，在粒子對撞機裏，兩道粒子束被會加速到非常高能量，然後在粒子偵測器裏相互碰撞，有時候，異乎尋常地，會因此生成碰撞的產物希子。由於希子會在非常短暫時間內發生衰變，因此無法直接被偵測到，偵測器只能將其所有衰變產物（「衰變特徵」）做記錄，從這些實驗數據，重建衰變過程，假若符合希子的某種衰變道，則視為希子可能被生成事件。實際而言，很多種過程都會出現類似的衰變特徵。很僥倖地是，標準模型精確地預言所有可能衰變模式與對應的或然率，假若偵測到更多能夠匹配希子衰變特徵的事件，而不是與這狀況相反，則這應該是希子存在的強烈證據。

在大型強子對撞機裏，由於倚賴粒子碰撞來生成希子的成功機率非常稀有，大約為百億分之一，並且很多其它種碰撞事件具有類似的衰變特徵，因此，物理學者必須蒐集與分析幾百萬億個碰撞事件，只有顯示出與希子相同衰變特徵的事件才可被視為是可能的希子衰變事件。在聲明發現新粒子之前，兩個獨立的粒子偵測器（ATLAS與CMS）必須都顯示出，觀測到的衰變特徵出自於背景隨機標準模型的事件機率，少於百萬分之一，也就是說，觀測到的事件數量比沒有新粒子的事件數量多過五個標準差。更多碰撞數據能夠讓物理學者更正確地辨認新粒子的物理性質，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。

由於低能量實驗可能無法找到希子，必須建造一座具有高能量的粒子對撞機，這對撞機還需要具有高亮度來確保蒐集到足夠的碰撞數據。另外，還需要高功能電腦設施來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格（Worldwide LHC Computing Grid）已處理了超過三百萬億（3×10¹⁴）個碰撞事件。這是全球最大的計算網格，它所包含的170個電算設施，散佈在36國家，是以分布式计算的模式連結在一起。

大型正负电子对撞机

曾經在大型正負電子對撞機立下無數汗馬功勞的的一台老式射頻腔（RF cavity），現正展覽於CERN的小宇宙科學館（Microcosm）。

在1989年大型正负电子对撞机（LEP）開始運作以前，實驗探索只能在質量低於幾個GeV的值域尋找希子。最初，大型正负电子对撞机將電子與正電子分別加速至6991728990301584999♠45.5 GeV，質心能量大約為Z 玻色子的質量6992145798060317000♠91 GeV。後來，又逐步增加能量，於2000年達到6992334854885783000♠209 GeV。

大型正负电子对撞机主要是通過希子制動輻射製造希子與Z玻色子：

$e^{+}e^{-}\to ZH$ ；

其中，$e^{+}$ 、$e^{-}$ 、$Z$ 、$H$ 分別是正電子、電子、Z玻色子、希子。

假若質量低於6992216293825744999♠135 GeV，希子最常衰變為底夸克反底夸克對，因此，大型正负电子对撞机主要尋找的最終態拓撲為

1. $Z\to f{\overline {f}},\qquad H\to b{\overline {b}}$ 、
2. $Z\to \nu {\overline {\nu }},\qquad H\to b{\overline {b}}$ ；

其中，$f$ 、$b$ 、$\nu$ 分別為費米子、底夸克、微中子，反粒子標記為上方加橫槓的對應粒子符號。

到公元2000年為止，大型正負電子對撞機並沒有找到希子的確切存在證據，這是因為它的專長是精密測量粒子的性質。根據大型正負電子對撞機所收集到的數據，標準模型希子的質量下限被設定為6992183288990112800♠114.4 GeV，置信水平95%。這實驗曾經偵測到一些特別值得注意的超額事件。這些事件可以被詮釋為質量約為6992184250296004999♠115 GeV（稍微大於下限截止值質量）的希子事件，可惜由於事件數量不夠，無法做定論。為了要建築下一代對撞機大型強子對撞機，於2000年，大型正負電子對撞機停止運作。大型正负电子对撞机停止運作。兆電子伏特加速器與大型強子對撞機仍舊繼續這種縮小與排除可能值域的方法。

兆電子伏特加速器

兆電子伏特加速器鳥瞰圖。

費米實驗室的兆電子伏特加速器將質子束與反質子束分別加速至6993157013295726000♠980 GeV，在CDF偵測器和DØ偵測器裏對撞，然後研究所有發生的物理現象，這包括尋找希子。在質量低於6992216293825744999♠135 GeV值域，由於量子色動力學背景雜訊太大，不能採用膠子融合（$gg\to H\to b{\overline {b}}$ ）為偵測途徑，最靈敏的偵測途徑是通過希子制動輻射製成希子

$p{\overline {p}}\to WH$ 、

$p{\overline {p}}\to ZH$ ，

其中，$p$ 是質子。

希子、W玻色子或Z玻色子分別會衰變為

$H\to b{\overline {b}}$ 、

$W\to \ell {\overline {\nu }}_{\ell }$ 、

$Z\to \ell {\overline {\ell }}$ ；

其中，$\ell$ 是輕子，$\nu$ 是微中子。

藉著W玻色子或Z玻色子的輕子衰變，可以濾除量子色動力學背景雜訊，篩選出 $b{\overline {b}}$ 訊號。

對於希子衰變，產物的質量越大，則耦合常數越強（呈線性或平方關係）。因此，在遵守質能守恆的前提下，它比較傾向於衰變為質量較大的粒子。在質量高於6992216293825744999♠135 GeV值域，主要的衰變模式為

$H\to W^{+}W^{-}$ 。

對於這種衰變模式，兆電子伏特加速器是靠著希子制動輻射製造希子，另外，還靠著膠子融合製造希子：

$gg\to H$ ；

其中，$g$ 是膠子。

2010年1月，CDF實驗團隊和DØ實驗團隊宣布，所搜集到的數據足以排除希子的質量在162-6992265961296842000♠166 GeV以內，置信水平95%。同樣實驗團隊於2010年7月表示，排除希子的質量在158-6992280380885225000♠175 GeV以內，置信水平95%。 2011年7月發表結果，延伸這排除值域至156-6992283585238199000♠177 GeV，置信水平95%；另外，在值域125-6992248337355484999♠155 GeV內，發現少許超額事件（大約1個標準差）。

2011年12月22日，DØ實驗團隊发表有关最小超对称标准模型（Minimal Supersymmetric Standard Model， MSSM）希子的的最严限制：对于 90-300 GeV 希子质量，已設定产生MSSM希子的tanβ上限；特別是對於 180 GeV 以下的的希子质量，排除 tanβ>20-30（tanβ是兩個希格斯二重態真空期望值的比率）。

2012年7月2日，DØ與CDF實驗團隊宣布，進一布分析使他們更加有信心。他們排除希子的質量在100-6992165024178161000♠103 GeV、147-6992288391767660000♠180 GeV以內，置信水平95%。在能量115–6992224304708180000♠140 GeV之間區域，超額事件的統計顯著性為2.5個標準差，這對應於在550次事件中，有一次事件是歸咎於統計漲落。這結果仍舊未能達到5個標準差，因此不能夠作定論。

歷經多年運作，兆電子伏特加速器只能對於更進一步排除希子質量值域做出貢獻，由於能量與亮度無法與建成的大型強子對撞機競爭，於2011年9月30日除役。

大型強子對撞機

拍攝於2006年11月，正在建造中的外表油漆了橘色條紋圖案的ATLAS环状磁鐵系統是由一系列正八邊形內金屬架與外金屬架共同鞏固與支撐。

大型強子對撞機與兆電子伏特加速器都是重子對撞機，它們的運作性質很類似。重子對撞機所遇到的問題比大型正负电子对撞机複雜。由於涉及到的質子是複合粒子，而不是單純的電子和正電子，重子對撞機要處理更多其它物理過程所造成的背景事件。

大型強子對撞機可以將兩個相互對撞的質子束分別加速至6993640870594800000♠4 TeV，更高的能量可以觀測到更多的物理現象。大型強子對撞機主要是靠著膠子融合製造希子：

$gg\to H$ ；

其中，$g$ 是膠子。

前段所敘述的希子制動輻射（WH或ZH）也是重要機制，另外，還有弱玻色子融合、頂夸克融合。

假若質量大於6992320435297399999♠200 GeV，則希子主要會衰變為兩個W玻色子或Z玻色子，這些規範玻色子又會輕子衰變：

$H\to W^{+}W^{-}\to \ell ^{+}\nu \ell ^{-}\nu$ 、

$H\to ZZ\to \ell ^{+}\ell ^{-}\ell ^{+}\ell ^{-}$ 。

假若質量小於6992192261178440000♠120 GeV，則希子主要的衰變道為

$H\to \gamma \gamma$ 、

$H\to b{\overline {b}}$ 、

$H\to \tau ^{+}\tau ^{-}$ ；

其中，$\gamma$ 是光子，$\tau$ 是陶子。

在這5種衰變道之中，比較重要的是「雙光子道」（$H\to \gamma \gamma$）和「四輕子道」（ $H\to ZZ$），從這些衰變道可以準確地測量出粒子質量。由於W玻色子會輕子衰變成一個輕子與對應的微中子，而微中子無法被偵測，所以，$WW$ 道的衰變輕子能量訊號比較寬廣。雖然 $b{\overline {b}}$ 道的截面很高，由於量子色動力學背景雜訊也很高，必須特別處理伴隨的W玻色子或Z玻色子衰變數據，才能觀測到正確的 $b{\overline {b}}$ 訊號。

2008年9月10日，大型強子對撞機正式開始調試運作。9天後，在暖機過程時，發生磁體失超事件，造成50多個超導磁鐵被毀壞、真空系統被汙染，使得完全運作被迫延遲14個月至2009年11月。工程師調查出肇因是磁鐵與磁鐵之間電接連缺陷，引起機械性損毀與氦氣被釋入大型強子對撞機隧道。修理耗費了幾個月時間，電路缺陷偵測系統與快速失超控制系統的功能也被大幅度提升。

自2010年3月30日開始3.5 TeV粒子束能量運作之後，大型強子對撞機越加緊鑼密鼓地進行數據搜集與分析。

到2011年7月為止，從超環面儀器實驗得到的結果，排除標準模型希子的質量在155-6992304413532530000♠190 GeV以內，置信水平95%；從緊湊緲子線圈實驗得到的結果，排除標準模型希子的質量在149-6992330048356322000♠206 GeV以內，置信水平95%。超環面儀器實驗團隊在同報告裏表示，可能已偵測到希子的蹤跡，在低質量值域120−6992224304708180000♠140 GeV，偵測到超額事件，大約超過背景數量期望值2.8個標準差。

12月13日，超環面儀器實驗團隊和緊湊緲子線圈實驗團隊发布对希子的阶段性侦测结果：“如果希子存在，則其質量应在115-6992208282943310000♠130 GeV（超環面儀器）或117-6992203476413849000♠127 GeV（緊湊緲子線圈）质量范围以内, ，95%置信水平；另外，超環面儀器在質量范围125-6992201874237362000♠126 GeV偵測到超額事件，統計顯著性為3.6個標準差，緊湊緲子線圈在質量范围6992198669884388000♠124 GeV偵測到超額事件，統計顯著性為2.6個標準差。现在仍然需要蒐集更多实验数据，“是否发现”的官方确认至少还要等到2012年11月大型強子對撞機的下一次运作完成以後。蒐集到的實驗數據並不足以證實這些超額事件是否是歸因為背景漲落（即隨機際遇或其他原因）。由於統計顯著性並不夠大，尚無法做結論或甚至正式當作一個觀察事件。但是，兩個獨立實驗都在同樣質量附近檢測出超額事件，這事實使得粒子物理社團極其振奮。期望能夠在檢驗完畢2012年的碰撞數據之後，於明年年底排除或確認標準模型希子的存在。CMS團隊發言人吉多·桐迺立（Guido Tonelli）表示：「統計顯著性不夠大，無法做定論。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在2012年所貢獻出的更多數據必定會給出一個答案。」。

2012年7月2日，超環面儀器實驗團隊發表2011年實驗數據分析，排除希子的質量在111.4-6992186813778384200♠116.6 GeV、119.4-6992195625749062700♠122.1 GeV、129.2-6992866777479466999♠541 GeV以內，置信水平95%，又在質量6992201874237362000♠126 GeV附近檢測出超額事件，統計顯著性為2.9個標準差。

發現新玻色子

費曼圖展示，被緊湊緲子線圈偵測到的低質量（～125GeV）可能候選希子的最乾淨製成與衰變道。對於這質量，最主要製成機制是膠子融合──兩個膠子經由一個夸克圈融合成希子。 左圖是「雙光子道」：希子經由一個夸克圈衰變為兩個光子。 右圖是「四輕子道」：希子衰變為兩個Z玻色子，每一個Z玻色子又輕子衰變為一個輕子與一個反輕子（電子或緲子）。 對於這些衰變道所做的分析達到統計顯著性為5個標準差，若加上規範玻色子融合道，則分析達到統計顯著性為4.9個標準差。

2012年6月22日，歐洲核子研究組織發表聲明，將要召開專題討論會與新聞發布會，報告關於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者紛紛猜測歐洲核子研究組織是否會正式宣布證實希子存在。

7月4日，歐洲核子研究組織举行專題討論會与新闻发布会宣布，緊湊緲子線圈发现质量为6992200752713821100♠125.3±0.6 GeV的新玻色子，标准差为4.9；超環面儀器发现质量为126.5GeV的新玻色子标准差为4.6。物理學者认为这两个粒子可能就是希子。歐洲核子研究組織的所长说：“从一个外行人的角度来说，我们已经发现希子了；但从一个内行人的角度来说，我们还需要更多的数据。”

一旦將其它種類的緊湊緲子線圈相互作用納入計算，這兩個實驗達到局部統計顯著性5個標準差──錯誤機率低於百萬分之一。在新闻发布之前很長一段時間，兩個團隊彼此之間不能互通訊息，這樣才能確保每一個團隊得到的結果不會受到另一個團隊的影響而發生任何偏差，這也可以讓兩個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，通過兩個被隔離團隊與實驗的獨立確定，已達到確定發現所需要的正式標準。歐洲核子研究組織的治學態度非常嚴謹，不願意引人非議；歐洲核子研究組織表明，新發現的粒子與希子相符，但是物理學者尚未明確地認定這粒子就是希子，仍舊需要更進一步蒐集與分析數據才能夠做定論。 換句話說，從實驗觀測顯示，新發現的玻色子可能是希子，很多物理學者都認為非常可能是希子，現在已經證實有一個新粒子存在，但仍舊需要更進一步研究這粒子，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緲子線圈小組和超環面儀器小組分別提交了新的偵測結果的論文，將這種疑似希子的粒子的質量確定為緊湊緲子線圈的125.3 GeV（統計誤差：±0.4、系統誤差：±0.5、統計顯著性：5.8個標準差）和超環面儀器的126.0 GeV（統計誤差：±0.4、系統誤差：±0.4、統計顯著性：5.9個標準差）。

2013年3月14日，歐洲核子研究組織發佈新聞稿表示，先前探測到的新粒子是希子。

統計學術語

本篇文章使用到一些統計學術語。為了便利讀者了解這些術語，現特別加以解釋。

• 背景：在尋找新的物理現像時，實驗者會將實驗結果與已成立理論的預期結果加以比較，這已成立理論的預期結果就是背景。假若，在實驗結果裏，某種出現的事件實例多過應該出現於背景的數量，則這表示可能已找到了新的物理現像。
• 置信水平：實驗結果在某值域內出現的機率稱為置信水平。例如，假設X粒子的質量值域為大於114.4 GeV，置信水平95%，則做100次X粒子質量實驗，其中有95次會測量到其質量為大於114.4 GeV。
• 超額事件：假若，在實驗結果裏，某種出現的事件實例多過應該出現於背景的數量，則稱此為超額事件。經過仔細分析，假若超額事件的統計顯著性（statistical significance）越高，則實驗者越能肯定這超額事件所代表的新物理現像不是隨機事件。
• 排除值域：假若，經過分析實驗結果顯示，某粒子的質量不太可能在某值域內，則可以排除在這質量值域內發現這粒子。這動作可以縮小粒子的存在範圍。當尋找尚未被發現的粒子時，排除值域是一種很優良的方法。
• 標準差數量：做實驗獲得的數據與背景之間相異的程度可以用標準差數量來度量。假若標準差數量越大，則實驗數據與假設越不相容。假若實驗數據與背景假設（即假設做實驗只會得到背景結果）很不相容，則這可能意味發現新的物理現像。例如，假設做實驗發現質量為125.3GeV的新粒子，統計顯著性為5個標準差，則因為背景造成這結果，而不是因為新物理造成這結果，兩者之間相異的程度為5個標準差，即因為背景造成這結果的機率低於百萬分之一。

参見

• 希格斯機制
• 希格斯場
• 探尋希格斯玻色子時間軸
• 自發對稱性破缺

參考資料

基本粒子

基本费米子半整数自旋符合费米-狄拉克统计

基本玻色子整数自旋符合玻色-爱因斯坦统计

夸克与反夸克自旋 = 1/2具有色荷参与强相互作用

轻子与反轻子自旋 = 1/2无色荷電弱交互作用

规范玻色子自旋 = 1, 2 [‡] 载体粒子

标量玻色子自旋 = 0

三代 上夸克（u） 下夸克（d） 粲夸克（c） 奇夸克（s） 顶夸克（t） 底夸克（b）

三代 电子（ e− ）[†] 电中微子（ ν e） μ子（ μ− ） μ中微子（ ν μ） τ子（ τ− ） τ中微子（ ν τ）

四种 光子 ( γ ；电磁力） W和Z玻色子 ( W+ , W− , Z ；弱相互作用） 八类胶子 ( g ；强相互作用） 引力子（假说） ( G ；引力）[‡]

一种 希格斯玻色子（ H0 ）

注释：
[†] 电子的反粒子（
e+
）通常被称为正电子。
[‡] 已知的载体粒子玻色子的自旋 = 1。假说的引力子的自旋 = 2；其是否为规范玻色子也尚未知晓。