物理學(xué)家計劃搜尋成對的希格斯玻

編譯 高斯寒

大型強子對撞機的龐大CMS探測器將會搜尋雙希格斯事件

對于迫不及待想要探索新疆域的粒子物理學(xué)家來說，發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子已經(jīng)變成一種甜蜜中帶著苦澀的成功。2012年，全球最大的原子對撞機——大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）探測到希格斯玻色子。這種人類長久以來苦苦尋找的粒子填補了基本粒子和基本力標準模型的最后一個缺口。但是從那時起，標準模型已經(jīng)成功通過每一次測試，沒有產(chǎn)生對物理新發(fā)現(xiàn)的一丁點暗示?，F(xiàn)在，希格斯玻色子本身也許提供一條走出僵局的道路。

在歐洲核子研究組織（CERN）臨近日內(nèi)瓦的歐洲粒子物理實驗室，LHC的實驗者計劃搜尋那些不只是產(chǎn)生一個希格斯玻色子，而是產(chǎn)生兩個希格斯玻色子的碰撞。如果發(fā)現(xiàn)比預(yù)期結(jié)果更多的這類罕見的雙希格斯事件，就能指明標準模型以外的粒子或力，甚至可以幫助解釋宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的不均衡情況。

“這是下一個重大發(fā)現(xiàn)?！崩碚撐锢韺W(xué)家莎莉·道森（Sally Dawson）說道，她在位于紐約州阿普頓的布魯克黑文國家實驗室工作，也是最近在位于伊利諾伊州巴達維亞的費米國立加速器實驗室（費米實驗室）舉辦的研討會的組織人，該研討會匯聚了100多位物理學(xué)家，旨在打磨長期搜尋所需的概念工具。

希格斯玻色子在標準模型中扮演特別角色。標準模型描述10多種粒子如何通過三種力相互作用：電磁力、弱核力和強核力（理論不包括萬有引力，這是其主要的缺點）。模型中的力產(chǎn)生于某些數(shù)學(xué)對稱性。但那些數(shù)學(xué)原理只有在粒子不與質(zhì)量一起出現(xiàn)時有效。因此，質(zhì)量必定通過另外無質(zhì)量的粒子間的相互作用，以某種方式出現(xiàn)。

希格斯玻色子就在這個地方登場。物理學(xué)家假定，太空中含有一個希格斯場（有點兒像電場），產(chǎn)自于潛藏于真空的希格斯玻色子。粒子與希格斯場發(fā)生相互作用，獲得能量，進而通過愛因斯坦的著名方程式E=mc2，也就產(chǎn)生了質(zhì)量。

6年前，這種希格斯機制收獲了稱頌與支持，當(dāng)時實驗物理學(xué)家利用LHC配備的兩種全球最大的粒子探測器超環(huán)面儀器（ATLAS）和緊湊渺子線圈（CMS）進行研究，對撞出一種轉(zhuǎn)瞬即逝的粒子，它的質(zhì)量是質(zhì)子的133倍，它的衰變方式與假定的希格斯玻色子衰變方式相同，譬如說，會衰變成一對光子。但物理學(xué)家不確定他們觀測到的東西到底是標準模型中的希格斯玻色子，還是某種稍微不同的粒子。

在2016年ATLAS探測器所探測的對撞中，兩個希格斯玻色子可能已經(jīng)衰變?yōu)榈卓淇?/p>

通過揭示希格斯場與自身相互作用的強烈程度, 雙希格斯事件保證了一種確定的方法。假如周圍沒有電荷，電場會消失，但希格斯場肯定存留在真空中，不然它會無法將質(zhì)量賦予其他粒子。標準模型假定：存在自我相互作用的希格斯場時，將質(zhì)量賦予其他粒子；希格斯場的能量最少化，能量沒有消失而是取得非零強度。

從數(shù)學(xué)角度來說，有許多方法可以形成這樣的方案，而標準模型運用最簡單的方法，只有一個參數(shù)控制。而那個參數(shù)預(yù)測了成對的希格斯玻色子在粒子碰撞中出現(xiàn)的比率，給予物理學(xué)家一個測試標準模型的方法。

挑戰(zhàn)在于發(fā)現(xiàn)這些極其罕見的衰變。標準模型的預(yù)測是：在每10 000次讓LHC生成一個希格斯玻色子的質(zhì)子-質(zhì)子碰撞中，大概只有6次碰撞會生成一對希格斯玻色子。雙希格斯事件會生成雜亂的其他粒子流，使得它們更加難以確認。LHC已經(jīng)生成大約1 000次雙希格斯事件，但ATLAS和CMS還沒有篩選來自背景的信號。

不過，LHC的實驗者對自己的運氣很樂觀，尤其是因為他們發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的技術(shù)在逐步改善。2018年8月，他們宣布已經(jīng)探測到一種格外紊亂的衰變模式。在該模式中，一個希格斯玻色子生成一對被稱為底夸克的大質(zhì)量粒子，在所有的衰變中，將近有60%出現(xiàn)這種模式。那是雙希格斯事件搜尋的好兆頭，因為搜尋依賴于一種情況：一對希格斯玻色子中至少有一個最可能以這種方式衰變。

LHC的實驗室也許需要數(shù)年來看到一個信號。從2018年晚些時候開始，LHC將會閑置2年，接受升級改造。2026年，它會再接受2年的升級，提高它的碰撞率。所謂的高亮度LHC會從那時運行到2034年。表面上看來，只有完整運行會生成充足的數(shù)據(jù)，足夠證實標準模型預(yù)測。然而，一些物理學(xué)家認為，隨著他們發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的算法繼續(xù)改進，他們能擊敗那個時間表。“甚至在高亮度LHC出現(xiàn)之前，我也認為我們能逼近標準模型預(yù)測。”費米實驗室的CMS課題組成員卡泰麗娜·韋爾涅里（Caterina Vernieri）說。

當(dāng)然，所有的LHC實驗者都希望雙希格斯事件的比率會超過標準模型的預(yù)測值。CERN的理論物理學(xué)家埃萊妮·弗旺尼多（Eleni Vryonidou）說，它不可能非常高，否則它會受到觀測的希格斯衰變的間接約束。然而，她預(yù)測，雙希格斯事件的比率可能達到標準模型預(yù)測值的6倍。

比率的這種增加表明存在著會與自身發(fā)生強烈相互作用的希格斯場；它也可能標志著轉(zhuǎn)瞬即逝、傾向于衰變成希格斯玻色子的新粒子，譬如許多標準模型擴充所預(yù)測的質(zhì)量更大的希格斯伴侶粒子。費米實驗室的理論物理學(xué)家瑪塞拉·卡雷納（Marcela Carena）說，它可能有遠超粒子物理學(xué)的含意。物理學(xué)家不知道為何嬰兒宇宙最終的物質(zhì)比反物質(zhì)多。但卡雷納說，一種與自身發(fā)生強烈相互作用的希格斯場的突然出現(xiàn)可能鎖定了那種不平衡。

就算雙希格斯事件的比率不會違背標準模型的預(yù)測，清點它們數(shù)量的探尋也會有豐碩的回報，任職于倫敦大學(xué)學(xué)院的ATLAS實驗者凱瑟琳·利尼（Katharine Leney）說道：“包括我自己在內(nèi)的許多人一直探尋下去，無非是想能夠一次和永遠講明白，它到底是不是標準模型中的希格斯玻色子?！?/p>

資料來源 Science