物理学家计划搜寻成对的希格斯玻

编译 高斯寒

大型强子对撞机的庞大CMS探测器将会搜寻双希格斯事件

对于迫不及待想要探索新疆域的粒子物理学家来说，发现希格斯玻色子已经变成一种甜蜜中带着苦涩的成功。2012年，全球最大的原子对撞机——大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）探测到希格斯玻色子。这种人类长久以来苦苦寻找的粒子填补了基本粒子和基本力标准模型的最后一个缺口。但是从那时起，标准模型已经成功通过每一次测试，没有产生对物理新发现的一丁点暗示。现在，希格斯玻色子本身也许提供一条走出僵局的道路。

在欧洲核子研究组织（CERN）临近日内瓦的欧洲粒子物理实验室，LHC的实验者计划搜寻那些不只是产生一个希格斯玻色子，而是产生两个希格斯玻色子的碰撞。如果发现比预期结果更多的这类罕见的双希格斯事件，就能指明标准模型以外的粒子或力，甚至可以帮助解释宇宙中物质与反物质的不均衡情况。

“这是下一个重大发现。”理论物理学家莎莉·道森（Sally Dawson）说道，她在位于纽约州阿普顿的布鲁克黑文国家实验室工作，也是最近在位于伊利诺伊州巴达维亚的费米国立加速器实验室（费米实验室）举办的研讨会的组织人，该研讨会汇聚了100多位物理学家，旨在打磨长期搜寻所需的概念工具。

希格斯玻色子在标准模型中扮演特别角色。标准模型描述10多种粒子如何通过三种力相互作用：电磁力、弱核力和强核力（理论不包括万有引力，这是其主要的缺点）。模型中的力产生于某些数学对称性。但那些数学原理只有在粒子不与质量一起出现时有效。因此，质量必定通过另外无质量的粒子间的相互作用，以某种方式出现。

希格斯玻色子就在这个地方登场。物理学家假定，太空中含有一个希格斯场（有点儿像电场），产自于潜藏于真空的希格斯玻色子。粒子与希格斯场发生相互作用，获得能量，进而通过爱因斯坦的著名方程式E=mc2，也就产生了质量。

6年前，这种希格斯机制收获了称颂与支持，当时实验物理学家利用LHC配备的两种全球最大的粒子探测器超环面仪器（ATLAS）和紧凑渺子线圈（CMS）进行研究，对撞出一种转瞬即逝的粒子，它的质量是质子的133倍，它的衰变方式与假定的希格斯玻色子衰变方式相同，譬如说，会衰变成一对光子。但物理学家不确定他们观测到的东西到底是标准模型中的希格斯玻色子，还是某种稍微不同的粒子。

在2016年ATLAS探测器所探测的对撞中，两个希格斯玻色子可能已经衰变为底夸克

通过揭示希格斯场与自身相互作用的强烈程度, 双希格斯事件保证了一种确定的方法。假如周围没有电荷，电场会消失，但希格斯场肯定存留在真空中，不然它会无法将质量赋予其他粒子。标准模型假定：存在自我相互作用的希格斯场时，将质量赋予其他粒子；希格斯场的能量最少化，能量没有消失而是取得非零强度。

从数学角度来说，有许多方法可以形成这样的方案，而标准模型运用最简单的方法，只有一个参数控制。而那个参数预测了成对的希格斯玻色子在粒子碰撞中出现的比率，给予物理学家一个测试标准模型的方法。

挑战在于发现这些极其罕见的衰变。标准模型的预测是：在每10 000次让LHC生成一个希格斯玻色子的质子-质子碰撞中，大概只有6次碰撞会生成一对希格斯玻色子。双希格斯事件会生成杂乱的其他粒子流，使得它们更加难以确认。LHC已经生成大约1 000次双希格斯事件，但ATLAS和CMS还没有筛选来自背景的信号。

不过，LHC的实验者对自己的运气很乐观，尤其是因为他们发现希格斯玻色子的技术在逐步改善。2018年8月，他们宣布已经探测到一种格外紊乱的衰变模式。在该模式中，一个希格斯玻色子生成一对被称为底夸克的大质量粒子，在所有的衰变中，将近有60%出现这种模式。那是双希格斯事件搜寻的好兆头，因为搜寻依赖于一种情况：一对希格斯玻色子中至少有一个最可能以这种方式衰变。

LHC的实验室也许需要数年来看到一个信号。从2018年晚些时候开始，LHC将会闲置2年，接受升级改造。2026年，它会再接受2年的升级，提高它的碰撞率。所谓的高亮度LHC会从那时运行到2034年。表面上看来，只有完整运行会生成充足的数据，足够证实标准模型预测。然而，一些物理学家认为，随着他们发现希格斯玻色子的算法继续改进，他们能击败那个时间表。“甚至在高亮度LHC出现之前，我也认为我们能逼近标准模型预测。”费米实验室的CMS课题组成员卡泰丽娜·韦尔涅里（Caterina Vernieri）说。

当然，所有的LHC实验者都希望双希格斯事件的比率会超过标准模型的预测值。CERN的理论物理学家埃莱妮·弗旺尼多（Eleni Vryonidou）说，它不可能非常高，否则它会受到观测的希格斯衰变的间接约束。然而，她预测，双希格斯事件的比率可能达到标准模型预测值的6倍。

比率的这种增加表明存在着会与自身发生强烈相互作用的希格斯场；它也可能标志着转瞬即逝、倾向于衰变成希格斯玻色子的新粒子，譬如许多标准模型扩充所预测的质量更大的希格斯伴侣粒子。费米实验室的理论物理学家玛塞拉·卡雷纳（Marcela Carena）说，它可能有远超粒子物理学的含意。物理学家不知道为何婴儿宇宙最终的物质比反物质多。但卡雷纳说，一种与自身发生强烈相互作用的希格斯场的突然出现可能锁定了那种不平衡。

就算双希格斯事件的比率不会违背标准模型的预测，清点它们数量的探寻也会有丰硕的回报，任职于伦敦大学学院的ATLAS实验者凯瑟琳·利尼（Katharine Leney）说道：“包括我自己在内的许多人一直探寻下去，无非是想能够一次和永远讲明白，它到底是不是标准模型中的希格斯玻色子。”

资料来源 Science