·希格斯玻骰子发觉于2012年，是粒子化学学研究中的一件划时代的大事。它在粒子化学的“标准模型”中起关键性作用，通过神秘的对称性破缺机制给基本粒子带来质量，和深奥诡谲的量子真空息息相关，也被觉得在宇宙演变的极初期起重要作用。在希格斯玻骰子发觉十华诞之际，文章将从科普视角出发，描画希格斯玻骰子的理论背景、粒子特点、实验侦测、研究现况和展望，揭露希格斯玻骰子的神秘面纱，理解它的过去、现在和未来。
1、引言
粒子化学学研究物质世界的最基本组成成份及其互相作用规律，探求基本粒子间的微观“小宇宙”，追求对一系列根本问题的理解：物质究竟有没有究级的不可再分的最小单元？基本粒子之间的互相作用有什么？形成互相作用的根本缘由是哪些？哪些是时间空间的本性？
从古埃及时期的原子论，到现代的量子热学，直到基于量子场论的粒子化学标准模型，人类从哲学到科学，结合理论与大量实验发觉，逐渐构建起了一套对微观粒子世界的成熟描述。标准模型中最后一个被实验否认的基本粒子是希格斯玻骰子。它在媒体中常被戏称为“上帝粒子”，其对应的希格斯场被觉得是基本粒子的质量来源，有举足轻重的地位。粒子化学学中还有众多重大科学问题有待探究，如暗物质本性、宇宙正反物质不对称、中微子质量等等。
希格斯玻骰子于2012年被发觉[1，2]，直接促使提出该粒子假定[3—5]的理论学屋内的彼得·希格斯与弗朗索瓦·恩格勒获得2013年的诺贝尔化学学奖。对希格斯粒子的研究是粒子化学学中的一个重要方向，自此由搜救模式步入了检测模式。科学家希望通过更多的实验数据考量这一潜藏于微观世界深处的新事物，期盼发觉它与新数学的联系。
2022年正值希格斯玻骰子发觉十华诞，本文将从如下几个方面展开：理论背景、希格斯玻骰子的特点、希格斯粒子的实验侦测，以及希格斯化学研究的现况和展望。
2、理论背景
2012年7月4日，在同行们的掌声和欢呼声中，时任法国核子研究中心所长的化学学家RolfHeuer即将宣布：经过数六年的探求，数千名科学家在小型强子对撞机(LHC)上发觉了希格斯玻骰子。希格斯玻骰子是化学学家在理解粒子化学标准模型过程中的最后一块拼图，有了希格斯玻骰子，粒子化学学的标准模型也就完整了。
粒子化学学觉得观测到的所有物质是由基本粒子组成的。标准模型觉得世界上有三种带电轻子：电子、缪子和陶轻子，它们参与电磁和弱互相作用。世界上有三种不带电的中微子，它们只参与弱互相作用。原子核中的质子和中子不是基本粒子，它们是由夸克组成的。夸克是基本粒子，它们不能进一步分割。标准模型觉得世界上有六种夸克(上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克)，它们参与电磁、弱以及强互相作用。量子场论觉得物质的互相作用是通过媒介玻骰子传递的：电磁互相作用通过光子传递。我们晓得依照量子热学波粒二象性，电磁波兼有粒子的属性，其对应的粒子就是光子。弱互相作用，比如核子的β衰变，是由W、Z玻骰子传递的。强互相作用是通过胶子传递的。随着1995年日本费米国家实验室发觉了顶夸克，以上这种基本粒子都早已被发觉。
在上述的互相作用中，弱互相作用为什么这么之“弱”，是粒子化学发展史上的一个重要问题。诸如，作为一种不稳定粒子，缪子的寿命相对十分长，究其缘由是缪子的衰变来自于弱互相作用，该作用硬度低，所以衰变不易发生。最早对弱互相作用的理论阐释是费米的“四费米子”理论，这个理论可以解释低能区域中β衰变现象，但该理论在高能区域显得不自洽。并且这个理论方式上和费曼、施温格以及朝永振一郎的量子电动热学迥然不同，让理论化学学家不禁指责，是否还有一个更统一的理论来描述基本互相作用。
量子电动热学描述电磁互相作用，在这个理论中量子化的光子场传递互相作用。电磁势的规范变换，赋于了这个理论所谓的U(1)规范对称性。物理上看，U(1)对称性相当于单位圆上的复数加法。规范对称性的深刻看法被用于研究其他基本互相作用。盖尔曼提出了新的基本粒子——夸克，它们是核子的组成部份。盖尔曼觉得物理单位分子量子夸克，假如夸克存在一个新的数学自由度物理单位分子量子夸克，即三种“颜色”，这么夸克模型可以拿来描述核子谱。夸克参与强互相作用，在盖尔曼的理论中，强互相作用是通过胶子传递的。杨—米尔斯理论，即非阿贝尔规范理论，被拿来描述强互相作用，并发展为量子色动力学。三种颜色对应着物理上的SU(3)规范对称性。
“四费米子”理论与量子电动热学以及量子色动力学都不同，这个理论中没有传播互相作用的媒介粒子，也没有规范对称性。量子电动热学及色动力学的耦合常数都是无量纲的，但“四费米子”理论的耦合常数是能量的负幂次。这意味着这个理论是不可重正化的，在高能区域会不自洽，需要被某个更普适的理论取代。一种尝试是用杨—米尔斯理论描述弱互相作用，引入新的规范玻骰子，来描述弱互相作用。但是，弱互相作用是一种很弱的近程力，传递弱互相作用的规范玻骰子必须是有质量的，这一点和量子电动热学及色动力学都不同。量子电动热学的传播子是无质量的光子，量子色动力学的传播子是无质量的胶子。在杨—米尔斯理论中直接加入规范玻骰子质量，无法得到一个自洽的规范理论。
要在杨—米尔斯理论的框架下建立弱互相作用模型，全新的数学看法是必不可少的。这儿成功的看法是自发对称性破缺与希格斯机制。格拉肖、温伯格、萨拉姆分别提出了电弱统一看法，将电磁互相作用与弱互相作用统一在杨—米尔斯理论框架之中。直接打破这些统一性，引入规范玻骰子质量，如前所述，在理论上是十分困难的。此处，自洽的建模方法是，引入自发对称性破缺。也就是说，在统一的杨—米尔斯理论中，互相作用并不直接打破规范对称性，但量子场的能级打破了规范对称性。
在我们的宏观世界中，自发对称性破缺虽然并不罕见。温度下吸铁石的能级有自发磁化，一根条形吸铁石一端N极，一端S极，两端的极性破坏了条形吸铁石的对称性。注意电磁互相作用本身不破坏对称性，但条形吸铁石的能级有两个，体系选择其中一个能级，自发地破坏了对称性。在量子场论中，类似于吸铁石的模型，一个所谓的标量场可能也有多个能级，这么化学体系的能级选择自发地破坏了对称性。这儿即将引入的标量场，就是大名鼎鼎的希格斯场(图1)[6]。
图1希格斯复标量场的势能方式[6]
通常而言，场论中自发对称性破缺，因为所谓的戈德斯通机制，会形成无质量的标量粒子。这么构造粒子化学模型，尽管把电磁互相作用、弱互相作用都引入到了杨—米尔斯理论的框架，但无质量的标量粒子从来没有在实验上发觉过，这仍然是理论上的疑难。希格斯机制最终解决了这个疑难：原本无质量的规范玻骰子吸收“吃掉”了自发对称性破缺形成的无质量的标量粒子。这样清除了无质量标量粒子，同时又赋于了弱互相作用规范玻骰子质量，说明了弱互相作用是一种弱的近程力。从理论基础上看，希格斯机制是电弱互相作用统一的关键一步。
在具体的模型建立中，怎样选择正确的对称性和破缺方法，对于预测新粒子的种类与互相作用是极其重要的。温伯格和萨拉姆选择了SU(2)×U(1)对称群以及一对复希格斯场。这对复希格斯粒子场的能级，会破坏SU(2)×U(1)对称性，仅存的U(1)对称性对应着电磁互相作用。被破缺的3个对称性，因为希格斯机制，造成形成了三个有质量的规范玻骰子，分别是W+、W-和Z玻骰子。这三个粒子传递近程的弱互相作用。一对复希格斯场中的三个化学自由度被W和Z吞掉，剩下的惟一一个数学自由度对应的量子场论迸发态，也就是所谓的“上帝粒子”——希格斯粒子。
希格斯场还和物质费米子场(如电子、缪子、陶轻子和夸克等)通过汤川机制耦合。在希格斯机制中，希格斯场的能级等效地变为了那些物质粒子的质量参数。浅显地说，希格斯场给与了基本粒子质量。温伯格与萨拉姆的电弱统一与自发对称性破缺模型，加上描述强互相作用的量子色动力学，构成了粒子化学的标准模型。
慢慢地，实验化学学家侦测和发觉了标准模型中不仅希格斯粒子外的所有基本粒子。几六年来，只有希格斯玻骰子躲开了所有侦测它的尝试——直到2012年7月4日，日内瓦西欧核子研究中心即将宣布希格斯玻骰子被发觉，标准模型的最后一块拼图完整了。这是自然界中第一种载流子为零的基本粒子。
标准模型被觉得是完整的，但还有好多问题都远未得到解答。
3、希格斯粒子的特点
作为一个基本粒子，希格斯粒子也有其独到的量子参数。作为自然界基本粒子中惟一的标量玻骰子，根据标准模型预言，其载流子为0、宇称为正。标准模型的希格斯机制除了赋于了W、Z规范玻骰子的质量，也决定了其与标准模型中其他基本粒子的互相作用。希格斯粒子作为一个玻骰子是相当活跃的，可以与费米子以及其他规范玻骰子形成互相作用。具体来说，希格斯粒子与费米子互相作用的耦合硬度与费米子的质量成反比，因此在标准模型里希格斯粒子与质量最大的顶夸克的互相作用最强，与电子的互相作用耦合硬度最弱。而在标准模型里中微子没有质量，因此希格斯粒子不与中微子形成互相作用。希格斯粒子与费米子的互相作用也被称为汤川耦合，也正是从这一互相作用中，费米子获得了质量。希格斯粒子与有质量的W、Z玻骰子之间存在规范互相作用，而与无质量的光子和胶子没有互相作用。据悉，希格斯粒子与自身也会形成互相作用，包括三希格斯粒子和四希格斯粒子耦合，被称为希格斯粒子的自互相作用。
值得一提的是，希格斯粒子几乎所有的数学特点均由理论预言，惟独其质量是一个自由参数，须要由实验来检测。而正由于希格斯粒子质量的不确定性，实验学家们耗费了巨大的时间和精力来找寻这一粒子，由于她们须要像大海捞针一样在未知的质量区间去找寻可能的希格斯粒子讯号。希格斯粒子的质量似乎是一个自由参数，但它却与希格斯粒子的自互相作用耦合常数存在关联性，两者只要能确定其二，另一个参数也就确定了。与希格斯粒子质量相关的另一个重要量子参数是其质量长度或衰变长度。根据理论预言，一旦质量确定了，其质量长度也急剧确定了，而质量长度决定了粒子的寿命。2012年发觉的希格斯粒子，其质量大概是125GeV，相当于质子质量的130倍，是标准模型的基本粒子里质量仅次于顶夸克的第二重的粒子。
希格斯粒子的重要性不仅仅在于它背后的希格斯机制是基本粒子的质量起源，但是在于它与超出标准模型的新数学以及宇宙学等存在深刻的联系。一个典型的事例是矢量玻骰子之间的互相作用。根据标准模型预言，矢量玻骰子之间可以发生散射过程，其散射振幅包含了希格斯粒子与矢量玻骰子之间的耦合。估算表明，假若没有希格斯粒子参与，这个散射振幅与入射粒子对的刚体能量平方成反比。这意味着在没有希格斯粒子的情况下，这个散射振幅在能量很高时会发散，也就意味着会有新的化学现象出现。尽管希格斯粒子的出现可以防止这一发散的发生，但这只是诸多可能性的一种，并没有理由觉得没有其他的超出标准模型的新化学会参与这一矢量玻骰子的散射过程。上面提及，希格斯粒子是弱互相作用自发对称破缺的重要参与者，这一相变过程发生在宇宙演变的极初期。而希格斯粒子的自互相作用决定了希格斯场的势能，这一势能函数也决定了电弱对称性破缺的相变过程，意味着希格斯粒子与宇宙演变有着深刻的联系。
希格斯玻骰子与其他粒子的互相作用为化学学家们在实验起来找寻希格斯粒子指明了方向。按照它与其余粒子的互相作用，希格斯粒子可以在高能量对撞机中形成下来，例如LHC。LHC可以将质子加速到极高的能量，质子—质子质情系能量可以达到14TeV。LHC上希格斯粒子的形成模式比较复杂，估算表明，其主要形成模式是胶子—胶子融合过程，形成截面的占比约80%，其他形成模式依次是玻骰子融合、玻骰子伴随以及顶夸克对伴随形成过程。事实上，LHC上希格斯粒子的总形成截面是可观的，因而LHC实际是一个“希格斯玻骰子鞋厂”。
其实在LHC里能形成大量的希格斯玻骰子，但希格斯粒子的寿命非常短暂以至于其形成顿时就衰变了。如同自然界的放射性衰变现象一样，一个粒子衰变后会得到其他的产物。因为希格斯粒子十分活跃，其衰变机理也相当的复杂。化学学家们用衰变的机率，也就是衰变分支比，来评判粒子发生某种特定衰变过程的难易程度。希格斯粒子的衰变分支比取决于几个相应的化学参数，比如希格斯粒子的质量、衰变末态粒子的质量，以及希格斯粒子与衰变末态粒子之间的耦合硬度等。一旦希格斯粒子的质量确定了，这么它在LHC上各类形成过程的截面和各个衰变末态的分支比就相应地确定了(图2)[7]。例如对于质量为125GeV的希格斯玻骰子，它最主要的衰变末态是两个底夸克，分支比约为56%，其次是衰变到两个W玻骰子(23%)，其他各个玻骰子或费米子末态的分支比大小不一。
图2质子—质子对撞机上希格斯玻骰子的形成截面(a)和衰变分支比(b)[7]
事实上，在实验上观测到希格斯粒子的讯号是非常复杂和具有挑战性的一项任务。因为希格斯粒子具有不同的形成和衰变模式，两者可以任意组合，就意味着有好多的途径去找寻希格斯粒子讯号。形成的截面越高，衰变分支比越大，就代表着可以观测到越多的希格斯粒子例子，反之就越少，如图2所示。据悉，希格斯粒子的衰变末态是须要通过实验仪器来侦测到的，不同末态粒子的侦测方式和难易程度也相差很大。例如对于衰变分支比最大的顶夸克对要远比衰变分支比小得多的四轻子末态侦测上去愈加困难。让找寻希格斯粒子的任务愈发繁重的是，LHC除了是一个希格斯鞋厂，它就会形成数据量更大的其他化学过程，例如顶夸克形成过程、矢量玻骰子形成过程等，但是实验仪器侦测到的数据是那些不同的化学过程混杂在一起的。要从海量的数据里找寻出希格斯粒子的讯号，用“大海捞针”来描述并非夸张。
4、实验侦测
如前所述，希格斯粒子的实验现象非常稀有，须要从海量的噪音中如“大海捞针”一般去找寻它，加之它的质量无确定预言，这种诱因给找寻工作带来了极大的困难。事实上，从希格斯机制、希格斯粒子的提出(1964年)到它的发觉(2012年)，长达近半个世纪，这也从侧面反映了实验侦测的坚苦卓著。
实验上，科学家借助粒子加速器将常见的易获取的粒子(如电子、质子)加速到很高能量，之后轰击靶材料(打靶实验)，或则与另外一束高能粒子相向对碰(对撞机实验)，形成微观粒子世界的互相作用。只要刚体能量足够，互相作用初始条件合适，就有可能形成可观的科学家们感兴趣的微观现象(即讯号过程)。其实，例如希格斯玻骰子这样的不稳定粒子几乎立刻衰变，最终观测到的实验末态包含的虽然都是相对长寿命的粒子或现象，如光子、电子、缪子、陶轻子以及量子色动力学喷注等。只不过，这样看似寻常的实验末态中蕴藏着我们孜孜求索的讯号的痕迹。侦测这种实验末态并进行数据分析可以获得与讯号过程相关的数学结果。下边描述实验侦测中的几个关键环节。
首先，粒子加速器要能将参与反应的粒子加速到足够的能量。科学家一般借助强电场来加速带电粒子，形成医用X射线的大型电子加速器宽度在米量级，而要触摸到希格斯玻骰子所在的电弱化学能标，直线加速器的厚度得在十公里量级。假如参与反应的粒子只有小部份能量转换为目标粒子的质量，则实际加速能量须要更高，加速宽度须要更长，在适宜的条件下，常常采用环型加速器。粒子在圆圈中循环往复地加速和储存，等待时机参与粒子间的互相作用。LHC是目前最大的环型加速器，周历时27km。这样的巨型设施须要的是全世界之合力，且合并的不仅仅是人力智慧，还包括各类尖端技术，如用于加速的超导射频腔、偏转准直的超导吸铁石和控制检测的超快抗幅射电子学系统等。
其次，须要极度大量重复实验才可探究如希格斯玻骰子这样的稀有现象。我们晓得，微观世界的观测量都是由一定的统计分布描述的。实验上确切检测这种分布，能够探求其背后的深刻数学，而要确切获得分布的概貌其实须要大统计量的重复实验。另外，微观世界的反应是非常复杂的，例如在LHC上，高能质子—质子对碰形成的是一个“万花筒”，每朵“花”对应一个反应过程，有不同的出现机率。包含希格斯玻骰子的反应过程的出现机率非常低，低至每每质子—质子互相作用约一百亿次，才会出现一次希格斯玻骰子。正是由于这种诱因，加速器要能在有限的时间内(通常数年)尽可能多地触发反应(对应的实验术语叫积分色温)，同时庞大的设施在经年累月的运行中要保证足够稳定，防止差错。
最后，依赖高精度的侦测与精湛的数据剖析就能获得数学结果。上面说过，大量重复实验后，极少数的实验末态中才有可能有讯号的踪迹，科学家借助小型但又精密的侦测器去全面捕获末态的信息。如希格斯玻骰子那样的目标粒子诞生于实验反应的时间、坐标零点，但顷刻即逝，最终衰变产物次级粒子吞没在动辄数百粒子的实验末态中。为此，侦测器必须有能力追踪每一个末态粒子，并确切检测它的路径、能量、种类等信息，最终我们借助这种信息探寻零点发生了哪些(术语叫“重建”)。图3展示了ATLAS实验对希格斯粒子衰变为双缪子实验末态的一次侦测。探源知著的总体科学目标促使对这种检测的精度要求十分苛刻，诞生与发展了一系列先进的侦测技术，其中许多技术后来又广泛应用于国计民生，如医学成像、地球钻探，幅射侦测等。大统计量的实验末态集合减去每位末态对应的大量侦测器信息，构成了一个真正意义上的大数据集。科学家们当心翼翼地举办大数据剖析，对比模拟数据和真实数据，应用来自侦测器和来自理论估算的修正因子，巧妙地借助化学规律设计筛选条件来压制噪音，增强讯号侦测的明显程度。经过反复磨炼的数据剖析最终给出可靠的数学推论和令人信服的偏差剖析。
图3LHC上ATLAS实验侦测到的一次希格斯粒子衰变为双缪子实验末态的图象展示。白色径迹为缪子，图中展示了部份侦测器结构(图片来源：法国核子中心)
受限于篇幅，关于实验侦测的更深入的介绍难以展开，但笔者希望如上的描述能帮助读者从大方向上掌握实验侦测的宏大精妙之处。讨论完这种基本环节过后，下边详尽描述希格斯粒子的探求历程。
真正系统性地对希格斯粒子进行现象学讨论和实验找寻的起点大体可以溯源回1975年附近。那时，通过对低能核化学数据进行剖析，并借助低能强子对撞，科学家在兆电子伏和吉电子伏区间对希格斯玻骰子进行找寻，即便并没有找到其存在的征兆，因而推断它的质量应当在这个能量段之上。
时间来到了小型对撞机时代中的20世纪90年代，科学家们重点在法国核子研究中心的小型正负电子对撞机(LEP)以及澳洲费米国家实验室的质子—反质子对撞机()上找寻希格斯玻骰子。LEP运行到千禧年而后停机改导致LHC，而运行到2011年。LEP上没有找到希格斯玻骰子的征兆，给出了质量下限114GeV，而上的数据剖析到2011年也未有发觉，排除了156—177GeV区间。考虑到最终发觉希格斯玻骰子的质量为125GeV，可以说这两次尝试都很接近，但因为历史的碰巧性，是不辛运的。LEP受限于对撞能量，而受限于统计量。
值得一提的是，现象学研究对找寻希格斯玻骰子来说非常重要。考虑标准模型是基于量子场论的一个可重正化理论，它决定了希格斯玻骰子的质量与电弱理论中的其他许多数学量之间有内在联系，精确检测这种化学量(如W玻骰子质量等)可以间接限制希格斯玻骰子的质量。在发觉希格斯玻骰子的前夕，这样的研究给出了质量的最可期区间120—130GeV。
希格斯玻骰子的发觉定格在2012年7月4号，LHC上的小型国际合作实验ATLAS和CMS共同宣布以很高的统计置信度发觉了疑似希格斯玻骰子的粒子。发觉该粒子主要采用了侦测灵敏度最高的希格斯玻骰子衰变到双Z玻骰子、双光子以及双W玻骰子末态。以双Z玻骰子最终衰变到4个带电轻子末态为例，真正测得的希格斯玻骰子屈指可数，但该末态杂讯挺好，因而统计上非常重要；这种讯号是在近1013倍于己身的噪音数据集中发觉的！在粒子化学实验领域，发觉新粒子常常叙述成：真实数据以几倍高斯标准误差的明显度否决了没有讯号存在的假定检验。2012年的发觉于单个实验都是5倍标准误差统计明显度，等效于说不存在这个新粒子的可能性为百万分之一。
这个重大发觉具有划时代的意义，它帮助弥补了标准模型的最后一块拼图，致使标准模型电弱统一得以真正完成，而基本粒子的质量有了真正理论来源。早期的研究发觉这个新粒子基本符合期盼已久的希格斯玻骰子，但其真正自然本性有待更大统计量数据的精确检验。
5、展望
希格斯玻骰子的发觉具有里程碑意义，2012年以后，希格斯化学时代自然就将至了：这样一个新生的神秘的“旧”事物值得仔细考量，研究它的粒子内禀属性，研究它和其余基本粒子的耦合，研究它背后希格斯机制的自洽性(如双玻骰子散射过程)，以及研究它和新数学(如暗物质)的关联等。希格斯化学研究成为当下粒子化学学的一个核心方向。从2012年的8TeV对撞刚体能量往前，LHC的质子—质子对撞能量继续增强到13—13.6TeV，创造了新的世界纪录。六年后的明天，获得的希格斯粒子数量相较2012年下降了近15倍，科学家们陆续验证了它的标量粒子特点、它与一系列基本粒子(顶夸克、底夸克、Z玻骰子、W玻骰子、陶轻子、缪子)的耦合，并将一些主要希格斯过程的检测精度提高至10%[8，9]。
科学家们大体早已认可了这个希格斯玻骰子确实是标准模型须要的那种粒子。希格斯化学研究的未来也许会更加多样化：继续探求LHC实验上可观的希格斯过程，精确检验标准模型预言；充分借助LHC实验数据探求稀有希格斯化学过程，如希格斯玻骰子与更轻费米子的耦合、其自耦合，以及其不可见衰变等，以期发觉异常，阐明其与新数学现象的关系；探求希格斯玻骰子在宇宙演变、真空电弱相变中的作用，阐述可能的互补实验观测等等。如今是希格斯数学的第一个六年，希望第二个、第三个六年时会有新的兴奋人心的发觉。
参考文献
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[2]CMS.Phys.Lett.B，2012，716：30
[3]F，BroutR.Phys.Rev.Lett.，1964，13：321
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[5]GS，HagenCR，TWB.Phys.Rev.Lett.，1964，13:585
[6]EllisJ，MK，DV.2012，arXiv：1201.6045
[7]LHCHiggsCross-Group.2016，arXiv：1610.07922
[8]ATLAS.，2022，607(7917)：52
[9]CMS.，2022，607(7917)：60
（作者吴雨生和徐来林来自中国科学技术学院粒子科学技术研究中心和核侦测与核电子学国家重点实验室，张扬来自中国科学技术学院交叉学科理论研究中心和彭桓武高能基础理论研究中心。原标题《漫谈希格斯粒子》，本文首发于《物理》2022年第11期。澎湃科技获授权转发。)