诺贝尔物理学奖解读

2013年度诺贝尔物理学奖授予了弗朗索瓦・恩格勒特和彼得・希格斯，因为“他们在理论上发明了一种机制，解释了基本粒子的质量起源，并且其预言的一个自旋为零的粒子被位于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上的ATLAS和CMS两个实验所发现，从而在实验上确认了该机制[1]”。在粒子物理学中，这一解释基本粒子质量起源的机制被称之为希格斯机制，而其预言的那个零自旋的粒子被称之为希格斯粒子。

本文首先简要介绍粒子物理，然后解释希格斯机制及其预言的希格斯粒子，以及它们在粒子物理中的重要性，最后讲述希格斯粒子是如何在实验上被发现的。

1.粒子物理和标准模型

粒子物理是一门研究构成物质的基本粒子及其相互作用的科学，换句话说，就是研究亚原子层次微观世界中物质的结构和性质，以及其产生、湮灭和相互转化的规律。我们在粒子物理学中的所有知识可以基本总结为一个称之为标准模型的理论，它代表了我们目前对微观世界的最深层次的认识水平。标准模型是上世纪下半叶在众多实验和理论粒子物理学家合作努力下发展起来的一个基于规范量子场论的理论，在实验上确认了夸克的存在后，其理论结构于上世纪70年代被最终确立。标准模型自建立以来经受住了大量实验的精确检验，其各种预言也均被实验所证实，成为了当今粒子物理学的理论核心。

标准模型对微观世界中的基本粒子进行了归纳和分类，这些粒子不可再分，并且每种粒子都具有包括质量、电荷和自旋等在内的各种固有属性。图1展示了标准模型中的所有基本粒子以及它们的多种属性。我们周围的所有物质由自旋为1/2的费米子构成。这些费米子呈现出两种基本类型：夸克（Quark）和轻子（Lepton），每种类型又有六种粒子，并且成对地分为三组，每一组称之为一代，所以一共有三代夸克和三代轻子。第一代夸克由上夸克（u）和下夸克（d）组成，第二代由粲夸克（c）和奇异夸克（s）组成，第三代则包含顶夸克（t）和底夸克（b）。三代轻子分别为：第一代的电子（e）和电子中微子（νe），第二代的缪子（μ）和缪子中微子（νμ），以及第三代的τ粒子（τ）和τ中微子（ντ） 。以上的这种代属关系在图1中得到了形象体现，其中，在每代夸克或轻子中，居于图中相对靠上位置的粒子称之为上分量，靠下的称之为下分量。不同代的夸克或轻子的质量差别比较大，例如第三代上分量夸克-顶夸克的质量约是第一代上分量夸克-上夸克的近8万倍，第三代轻子中的τ粒子比第一代中的电子重约3500倍，而轻子中的中微子则被普遍认为只具有极小的质量。夸克带有分数电荷，每代夸克中上分量带+2/3的电子电荷，下分量带-1/3的电子电荷；每代轻子中的上分量带一个电子电荷，而下分量的中微子为电中性。

在标准模型中，以上这些费米子通过交换被称之为规范玻色子的基本粒子发生相互作用，按强度由强到弱，共有强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用等三种基本相互作用，对应的规范玻色子分别为右图上所示的胶子（g）、光子（γ）和Z及W粒子，自旋均为1。当两个费米子交换规范玻色子时，每个费米子都受到影响，其效果即为作用在双方的“力”，规范玻色子就如同传递这种力的媒介，因此，规范玻色子也被称之为媒介子。当然，这种图象只是对粒子相互作用的一种形象解读。按照作为标准模型理论基础-规范量子场论的语言，每种基本粒子都对应了弥散在整个宇宙中的某种“场”，粒子实质上是这种场处在激发状态的表现，费米子场通过规范玻色子场相互耦合，从而发生相互作用。不同费米子参与的相互作用种类不尽相同，夸克参与以上所有三种基本相互作用，上分量轻子参与电磁相互作用和弱相互作用，中微子则只参与弱相互作用。宇宙当中的所有稳定物质仅由第一代夸克和轻子，即上、下夸克和电子，组成，其他不稳定的物质经过上述三种相互作用中的一种或多种最终都会变成稳定物质。此外，自然界中还存在引力相互作用，但在粒子物理的微观层面上，由于相比其他相互作用其强度很弱，因此通常被忽略。

除以上费米子和规范玻色子外，标准模型还预言了一个自旋为0的基本粒子，称之为希格斯粒子（H）。它在标准模型中具有非常独特和重要的地位，第2节对此将进行专门介绍。

综上所述，在粒子物理的标准模型中，我们对客观世界在最基本层面上的图景可以概括为以下两点：1、物质是由包括夸克和轻子在内的自旋为1/2的费米子构成；2、费米子之间的相互作用通过自旋为1的规范玻色子传递，共有强弱不等的三种。

最后值得一提的是，虽然粒子物理研究的是最微观世界的规律，但随着物理学的发展，我们发现微观领域中的粒子物理与宏观领域中的天体物理和宇宙学密切相关，很多天体物理和宇宙学中的根本问题，如暗物质的本质、正反物质不对称等，需要从粒子物理中寻找答案，由此衍生出了天体物理和宇宙学与粒子物理的交叉学科。

2.希格斯机制和希格斯粒子

物理学中的对称性是指物理规律经过某些变换保持不变的特性，分为时空对称性和内部对称两类。时空对称性是指物理规律不会随地点和时间不同而变化，不会在空间或时间平移，反演或空间转动下发生改变。内部对称性是指物理规律对某些不同的粒子是一样的，将一个过程中的某种粒子换成另一种粒子，相互作用的规律不变。对称性是物理学发展的主线，很多理论就是从对称性的要求导出的，例如基于光速不变原理和物理规律在所有惯性系中都一样的相对性原理导出狭义相对论。粒子物理中的标准模型理论也不例外。它建立在局域规范对称性的基础上，本质上是一个量子化的规范场理论，在某些局域规范变换下保持不变。

标准模型中的电磁相互作用和弱相互作用由基于规范不变的电弱理论统一描述。局域规范对称性要求所有传递相互作用的规范玻色子质量为零。这与实验上观测到传递弱相互作用的W和Z规范玻色子的质量分别为80.3和91.2 GeV/c2（c为光速，eV为能量单位，1 eV即一个电子经过1伏特电压获得的能量，1 GeV = 106 eV）这一事实明显抵触。因此，支配电弱相互作用的局域规范对称性一定是破缺的。对称性破缺的机制可以分作两类：明显破缺和自发破缺。明显破缺就是在决定系统运动规律的拉氏量中直接引入不满足对称性的成分，使得运动规律本身不满足对称性。自发破缺是指物理系统所遵循的运动规律具有某种对称性，而物理系统本身不具有这种对称性。换言之，系统的拉氏量具有对称性，而系统的物理态不具有相应的对称性。

LHC在2010年3月首次实现了质心系能量为7 TeV的质子质子对撞，远高于以往任何高能对撞实验，标志着希格斯粒子寻找新时代的开启。LHC的初始运行计划是持续在7 TeV运行直到2010年底，然后进行近2年的机器维修，为14 TeV的全能量运行做好准备。但在2011年初，CERN修改了初始计划，决定只在2011年底安排一个短暂的技术停机，然后运行LHC至2012年底。在2011年底，ATLAS和CMS利用在LHC上所采集到7 TeV对撞能量下约5 fb-1（fb-1是表征数据采集量的单位，1 fb-1近似对应1012次质子-质子对撞）的数据，分别在希格斯粒子到γγ和ZZ两个衰变通道中，发现了质量约为125 GeV/c2左右的粒子存在的迹象，显著度超过2倍标准偏差，如果将多个衰变通道合并，显著度将分别达到3.6和2.6倍标准偏差（显著度表示假定没有希格斯粒子的情况下，由本底事例涨落产生出观测结果的概率，当一个满足正态高斯分布的随机变量偏离平均值的概率等于这个概率时，其偏移量折算为这个正态分布的标准偏差的倍数即为这里的显著度数值，显然，显著度越大，这种概率越小，因而所观测到结果为假信号的可能性也就越小，从而为真实信号的可信性就越高）。通常我们将达到3倍标准偏差显著度的观测结果称之为存在新现象的迹象，而只有在达到或超过5倍标准偏差的情况下，才能宣布发现了一种新现象。这个具有约3倍标准偏差显著度的观测结果导致CERN作出了一项影响希格斯发现历程的重要决定：在2012年将LHC对撞能量由7 TeV提高到8 TeV。对撞能量的提高将增大希格斯粒子的产生概率，从而提高在LHC上发现希格斯粒子的灵敏度。事实证明以上各项对LHC运行计划修改的决定大大提早了希格斯粒子的最终发现。

在LHC 8-TeV运行仅约半年后，我们迎来了一个在希格斯粒子寻找征程中划时代的特殊日子――2012年7月4日。这一天值得纪念并将永载科学史册，之所以如此，是因为当天CERN举行了一场特殊的学术报告会，在报告会上ATLAS和CMS两大实验宣布在希格斯粒子寻找的实验中各自独立发现了一个质量约为125 GeV/c2的新粒子，显著度水平接近或达到5倍标准偏差，由于其具体属性还需进一步确认，因而被称为类希格斯玻色子。两个实验独立地观测到了具有相似质量的粒子的显著的信号，这大大增强了所观测到的信号的真实性。这一重大发现标志了人类在寻找希格斯粒子近30年的艰辛历程中终于取得了突破，也正因为此，7月4日被很多人称之为希格斯独立日。这一天的报告会在当时正在澳大利亚墨尔本举行的国际高能物理大会（ICHEP）上进行了现场直播，并吸引了世界众多媒体的跟踪报道，掀起了一股“希格斯”风。完成这一类希格斯粒子发现所使用的数据量为2011年全年采集的约5 fb-1的7-TeV数据和2012年上半年采集的约5 fb-1的8-TeV数据。ATLAS和CMS基于这些数据的最终结果分别发表在了同一期的Physics Letter B期刊上[5]，这两篇文章也成为了LHC上乃至粒子物理实验史上的代表作。ATLAS和CMS发表的在这一发现中观测到一个类希格斯粒子的显著度与希格斯粒子假定质量的关系。在质量为125 GeV/c2附近，ATLAS在近6倍标准偏差的显示度下观测到了一个新粒子，而CMS也在5倍标准偏差的高显著度下观测到了同样一个粒子。

至2012年底，ATLAS和CMS又分别采集到了约15 fb-1的8-TeV数据。基于所有7-TeV和8-TeV的数据，并通过进行更深入的分析，ATLAS和CMS所观察到的类希格斯粒子的显著度水平达到了7倍标准偏差，进一步确认了新发现的粒子。于此同时，两大实验还分析了这一粒子的多种属性，包括信号强度、耦合及自旋和宇称等，结果表明，所观测的各种属性在测量误差范围内均于标准模型预言一致。因此，在2013年3月举行的Moriond高能物理会议上，在LHC上发现的新粒子由类希格斯粒子被改称为希格斯粒子。

在ATLAS和CMS两个实验上，对希格斯粒子观测灵敏度最高的两个衰变通道为Hγγ和HZZ4l（l表示电子或缪子），他们也是在希格斯粒子发现中起着决定性作用的两个通道。此外，HWWlvlv（v表示与l在同一代的中微子）通道也具有较高的灵敏度，两大实验在此通道均已在超过3倍标准偏差显示度下观测到了希格斯粒子的迹象。但是以上衰变通道均为玻色子末态，而标准模型预言的希格斯粒子与费米子也有耦合，因此，在费米子衰变末态中观测希格斯粒子对于验证所发现的粒子是否是标准模型预言的希格斯粒子具有十分重要的意义。ATLAS利用约20 fb-1的8-TeV数据，对Hτ+τ-衰变进行了寻找，结果在4倍标准偏差的显著度水平下观测到了质量约为125 GeV/c2的希格斯粒子的信号。CMS在这一衰变通道中也观测到了一定相对本底事例的超出。这些观测表明了希格斯粒子与费米子耦合的迹象，是向深入研究希格斯粒子迈进的重要一步。此外，ATLAS和CMS两大实验还在包括Hbb，Hμ+μ-等费米子衰变通道中对粒子进行了寻找，以及在其他稀有衰变通道中进行了寻找。虽然由于受目前所采集的有限数据量的限制，在这些通道中均没有看到希格斯粒子存在的明显迹象，但这些寻找为未来在LHC上更全面深入研究希格斯粒子打下了重要基础。

中国科学家在探测器的建造之初便参与了ATLAS和CMS实验。来自于中国科学院高能物理研究所，南京大学，山东大学，北京大学以及中国科学技术大学的众多科学家和工程师参与了ATLAS和CMS探测器的建造工作，同时在数据分析方面对在Hγγ、HZZ4l和HWWlvlv衰变通道中寻找希格斯粒子都做出了直接贡献。

在经历了令人激动的希格斯粒子的发现后，LHC在2013年初停机，进入了一个近2年的维修升级期，预期将在2015年恢复运行并最终达到14-TeV的设计对撞能量，此外对撞亮度也将有好几倍的提高达到1034/cm2/s的设计值。LHC在重新运行后性能的巨大提升将产生更多更好的质子-质子对撞事例，为我们深入全面地研究新发现的希格斯粒子提供绝佳条件。我们随之也将由希格斯寻找转入希格斯研究的时代，对希格斯粒子包括质量、耦合、自旋和宇称等在内的各种属性进行细致测量，以确认希格斯粒子的准确身份，同时使用希格斯粒子作为桥梁探索可能的超出标准模型的新物理现象，寻求粒子物理新的突破。

4.结语

标准模型所预言的希格斯粒子的发现证实了赋予基本粒子质量的希格斯场的存在。至此，标准模型所预言的基本粒子都被观测到，这标志着人类在认识物质世界的历程中取得了巨大的成功。但这绝对不是粒子物理的终结，相反我们还有很多问题无法用标准模型解释。例如，天文和宇宙学观测中发现的暗物质，标准模型就没有合适的粒子作为它的组成单元；宇宙中正反物质的比例显著超出了标准模型的预期；由于宇宙加速膨胀人们推测宇宙中弥漫着暗能量，标准模型对此也无法描述；作为四种基本相互作用之一的引力作用还未能纳入到标准模型中等等。而这个新发现的希格斯粒子为我们探索更深层次的物理规律，解决以上诸多疑难打开了一扇难得的窗户。粒子物理在今后相当长一段时间内的重要任务之一就是利用升级后的LHC和未来可能建造的更先进的加速器深入全面地研究希格斯粒子的性质及其与其他粒子的相互作用，以获得更本质和更深刻的物理规律的线索。

参考资料

[1]http：///nobel_prizes/physics/laureates/2013/.

[2]L.Evans and P. Bryant （Eds.）， LHC Machine， JINST 3 （2008） S08001.

[3]ATLAS Collaboration，The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider， JINST 3 （2008） S08003.

[4]CMS Collaboration，“The CMS experiment at the CERN LHC”， JINST 3 （2008） S08004.

[5]ATLAS Collaboration ， Observation of a New Particle in the Search for the Standard Model Higgs Boson with the ATLAS Detector at the LHC， Phys. Lett. B 716 （2012） 1-29；CMS Collaboration， Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC， Phys. Lett. B 716 （2012） 30-61.