希格斯玻色子发现十周年

编译 王晓涛

十年前，也就是2012年7月4日，世界各地的科学家和记者齐聚欧洲核子研究中心。大型强子对撞机（LHC）的ATLAS和CMS合作组宣布，他们发现了一种新的基本粒子——希格斯玻色子。此时，距离理论物理学家预言这种粒子的存在已经过去了近50年。这一发现具有十分重要的意义，不仅是因为期待已久的新粒子得到证实，而且该粒子的存在也首次直接证明，在我们周围存在一种新的基本“场”，即希格斯场。

物理学中场的概念在日常生活中随处可见，例如地球磁场以及它对指南针的影响。希格斯场与磁场之间最重要的区别在于，如果移除磁场的源头，磁场就会消失，但希格斯场在任何情况下都是非零的，与宇宙中是否存在其他东西无关。某种程度上，这令人想起源自古希腊的以太概念。二者的关键区别在于是否符合爱因斯坦的狭义相对论。

目前，物理学家将关于基本粒子和力的理论叫作标准模型理论，在这一框架下可以描述基本粒子和粒子间的相互作用力——引力除外。在标准模型中，希格斯场对于我们所熟知的世界至关重要。

正如我们将在下面看到的一样，任何粒子与希格斯场之间相互作用的强度直接影响该粒子的基本特性：质量。因此，希格斯场决定了原子的大小，使得质子稳定，并且确定了放射性β衰变的时间尺度，从而影响恒星的寿命（表1）。然而，在日常生活中，我们并没有注意到希格斯场就在我们身边。能够揭示希格斯场存在的唯一方法就是扰乱它，就像把石头扔进水里才能看到涟漪。一种被称为希格斯玻色子的粒子就是这种扰动的表现。

根据标准模型，在表1中的三种情况下，相应的粒子质量都来自这些粒子与希格斯场的相互作用。最后一列表明我们是否有明确的实验迹象来证实这一观点。

2012年的这一发现意义重大，一年之后，弗朗索瓦•恩格勒（François Englert）和彼得•希格斯（Peter Higgs）就获得了诺贝尔奖。他们与已故的罗伯特•布罗特（Robert Brout）是第一批揭示了这一领域对基础物理学的潜在重要性的科学家。从那时起，希格斯玻色子成为研究希格斯场影响标准模型中基本粒子方式的有力工具。此外，由于希格斯场是普遍存在的，希格斯玻色子如今也被广泛用于寻找尚未在标准模型内发现的粒子或效应的特征。

标准模型中的希格斯玻色子

在标准模型中，除了希格斯玻色子，还有两类粒子。一类是费米子，例如上下夸克和电子，它们构成了我们周围的普通物质。这些特定的粒子（连同三种中微子中的一种）被称为第一代费米子。另外两组费米子（第二代和第三代）是更重的粒子，这些粒子通常不存在于我们周围的世界中。此外，还有一类粒子被统称为矢量玻色子，包括作用力的载体：光子、W和Z玻色子以及胶子。当它们在两个费米子之间交换时，会在这些费米子之间产生吸引力或排斥力：光子携带电磁力，W和Z玻色子携带弱力，胶子携带强力。

表1 希格斯玻色子影响我们周围世界的方式

20世纪60年代，当物理学家开始尝试描述这一图景时，他们并不清楚是否真的能够创建一个包含宏观力载体的自洽理论。这个问题是在原子物理学以及凝聚态物理学中超导概念的背景下提出的。研究人员发现，如果引入力载体与“希格斯”场可发生相互作用这一假设，并且为该场设计一个非零值，那么这种理论就可能存在。

随着标准模型中电弱统一理论的发展，粒子与希格斯场的相互作用成为了其公式的核心部分。想要在与实验结果保持一致的前提下，解释W和Z玻色子质量产生的原因，并保证光子和胶子无质量，就必须遵循这个假设。

值得注意的是，与希格斯场的相互作用也为费米子质量的产生提供了自洽的理论机制：单个费米子以不同的强度（或“耦合程度”）与希格斯场相互作用，相互作用的效果越强，产生的粒子质量越大。在标准模型中，这种作用被称为“汤川”相互作用。因此，任何关于费米子质量起源的问题都可以看作对费米子与希格斯场相互作用起源的讨论。

为什么希格斯场一定是非零的？根据标准模型，存在与希格斯场值相关的势能密度，最低势能对应于希格斯场的非零值。标准模型中势的形式由内部一致性条件决定。通过一些简化，我们将希格斯场的大小标记为φ，势的形式为

势的最小值，即能量的最大可能取值，对应于一个非零的φ值，φ=1。希格斯场的非零常数值告诉我们，它不可能携带角动量，或者说它的自旋为0。自旋的非零值至少会破坏一个可靠的时空对称性。因此，作为希格斯场激发后的结果，希格斯玻色子一定是自旋为0的粒子。它实际上也是已知的唯一具有这种性质的基本粒子。

希格斯玻色子的发现之所以如此重要，其中一个原因是它可以用来测试上文所述的理论图景。我们无法探测某一给定粒子与希格斯场的相互作用，但可以转而测量粒子与希格斯场激发结果的相互作用，即与希格斯玻色子的相互作用。如果标准模型为粒子质量的产生提供了正确的理论背景，那么任何粒子与希格斯玻色子相互作用的强度都一定与该粒子的质量直接相关。

除了提供测试希格斯机制的有力方法外，希格斯玻色子与其他粒子的相互作用本身也很有趣，因为它暗示了由希格斯玻色子交换介导的“第五力”的存在。事实上，对于较重的粒子，这种力要更强，这使其与标准模型中的其他相互作用在性质上有所不同。标准模型中的相互作用的强度是一些基本单位的倍数，比如电磁力与电子所带电荷的关系。这种模式让人联想到引力，但二者依然有重要的区别。一方面，由希格斯玻色子介导的力只在很短的距离内起作用，而爱因斯坦理论中的引力作用于所有距离尺度。另一方面，希格斯玻色子只与标准模型中的基本粒子直接耦合，而重力与粒子的总质量有关。在一般的物质中，总质量远大于基本粒子质量的总和，因为强力对质子和中子质量的贡献很大。

我们目前知道些什么？又是如何得知的？

希格斯机制提供了最简单的模型，以与电弱相互作用一致的方式解释粒子质量的产生。作为物理学家，我们应该尝试确定，它是否确实是符合自然法则的模型。

对希格斯玻色子的实验研究在粒子对撞机上进行。当碰撞的粒子与希格斯场发生强烈的相互作用时，也就是说当它们很重时，在碰撞中产生希格斯玻色子的可能性会更大一些。在所需的质心能量很高的情况下，粒子物理学家只能够使质子和电子以及它们的反粒子作为碰撞的对象。这带来了一个问题：电子和构成质子的粒子非常轻，也就是说，它们与希格斯玻色子的相互作用非常微弱。

粒子物理学家的方法是利用轻粒子在高能碰撞中偶尔产生重粒子，然后让这些重粒子产生希格斯玻色子。欧洲核子研究中心的LHC使质子发生碰撞，质子主要由上下夸克和胶子组成。产生希格斯玻色子最常见的方法是让一对胶子碰撞产生一个顶夸克和一个反顶夸克，这是一种非常短暂的量子涨落现象。顶夸克是已知最重的粒子（大约是质子质量的184倍），因此顶夸克和反顶夸克与希格斯场发生强烈的相互作用，这一过程偶尔会产生希格斯玻色子。不久之后（大约 10-22秒），希格斯玻色子衰变。大约2.6%的衰变在一对Z玻色子中发生，它们本身也几乎立即衰变，例如变成电子-正电子对或μ子-反μ子对（即所谓的带电轻子），体现出独特的实验特征，见图1a。

图1 LHC产生希格斯玻色子。a.在LHC中希格斯玻色子产生和衰变的一个过程。b.来自CMS实验的四个轻子（4l；电子和/或μ子及其反粒子）的总质心能量；125 GeV 附近的峰值对应于希格斯玻色子的衰变，而 91.2 GeV 附近的峰值对应于单个Z玻色子的衰变（不是希格斯机制引起的）。Z玻色子的衰变是用于发现希格斯玻色子的渠道之一，其他重要的发现渠道包括两个W玻色子的衰变和两个光子的衰变（后者通过顶夸克和W玻色子的量子涨落进行）

LHC 的 ATLAS 和 CMS 实验选择具有四个这样的轻子的事件，并在它们的质心框架中记录轻子的总能量。产生四个轻子的方式有很多，但对于那些来自希格斯玻色子衰变的事件，总能量应当会聚集在希格斯玻色子质量的周围——即图1b中的第二个峰。这个峰提供了相当多的信息：（1）125 GeV附近峰的存在告诉我们存在一个新粒子，即希格斯玻色子；（2） 峰的位置显示了希格斯玻色子的质量；（3）峰中事件的其他特征，例如轻子的相对角分布（图中未显示），证实希格斯玻色子不携带本征角动量，是一个自旋为0的粒子；（4） 峰中的事件数与希格斯玻色子与顶夸克和Z玻色子的相互作用密切相关。最后一点至关重要，因为在标准模型中，希格斯机制预测了粒子与希格斯玻色子具体的相互作用强度，这为我们提供了对这一假设的第一个检验。

这类测试的可靠性存在几个潜在问题。例如，在图1所示的过程中，需要假设存在可以产生顶夸克-反顶夸克对的量子涨落。即使该假设是正确的，峰值中的事件数告诉我们的也只是顶夸克和Z玻色子相互作用的结果，而不是相互作用本身。出于这个原因，LHC实验需要在众多产物和衰变过程中寻找希格斯玻色子。例如，在一些可以观测到希格斯玻色子衰变的事件中，顶夸克不仅仅是一种短暂的量子涨落，还是寿命极短的真实粒子的产物，这些粒子在与希格斯玻色子的碰撞中出现并且可以通过实验检测。2018年的这一发现是粒子物理学的一个重要里程碑。与之同样重要的还有对希格斯玻色子衰变为底夸克和τ轻子的观测。总之，这些测量结果最终告诉了我们，希格斯机制是第三代带电费米子的质量产生的原因。

总体而言，通过收集来自不同产生和衰变方式的信息，我们知晓了最重的粒子（矢量玻色子和费米子）与希格斯场相互作用的情况，这与标准模型中的假设一致。当前的测量精度范围为5%～20%。然而，希格斯场与非常轻的粒子（例如电子和上下夸克）的相互作用却十分罕见。

虽然在LHC上发现标准模型下的希格斯玻色子是一件备受期待的事，但可以利用LHC探索得知如此多的信息还是十分令人惊讶。在短短十年内，我们就知晓了希格斯玻色子相互作用的部分理论，这是一项重大成就。要知道，在LHC投入使用时，许多产生和衰变方式的测量都被认为超出了LHC的范围。

我们之所以能够取得这一进展，原因有很多。其中一个原因是大自然恰好为希格斯玻色子的质量选择了适合进行实验研究的值。如果希格斯玻色子重50 GeV，我们就基本不可能检测到两个以上的基本衰变方式（即一对W玻色子或一对Z玻色子）。如果它只是轻 10 GeV，那么我们目前就不可能观察到W玻色子和Z玻色子的衰变。不过，这不仅仅是好运气的问题。

LHC加速器以及ATLAS和CMS探测器（它们都是高度复杂的探测系统）的卓越性能至关重要。此外，在过去十年中，分析对撞机数据的技术也取得了重大进展。例如，当探测器一次同时观测每秒4 000万次的数十个质子-质子碰撞过程时，我们知道如何可靠地提取其中某一个质子-质子碰撞的信息。再比如，对于希格斯玻色子其他过程的研究（例如，希格斯玻色子衰变为两个底夸克或两个W玻色子），实验物理学家和理论物理学家需要开发多样的技术，来区分希格斯玻色子的信号与许多具有与希格斯玻色子相似特征但与其无关的信号，比如图1b中那条清晰的峰。这些研究正越来越多地从数据分析和机器学习相结合的技术中受益。

如果没有几十年来预测和模拟质子碰撞时产生的大量效应（通常与强相互作用相关），就不可能根据希格斯相互作用的强度对观察到的信号速率进行定量的解释。例如，在给定一定数量的质子碰撞过程的情况下，对夸克和胶子碰撞的速率进行理论计算是至关重要的一步。另外，碰撞通常不仅仅涉及一个量子涨落，如图1所示，而是会有多个额外的量子涨落，每一个都会改变希格斯玻色子产生的概率。在理论预测中可以解释的量子涨落的数量越多（目前最多可以有三个额外的涨落），人们就越能准确地将实验观察与标准模型联系起来。最后，图1是一张经过大幅简化后的图片，真正的实验在很大程度上依赖于对产生数百个粒子的质子-质子碰撞的完整结构的准确模拟。

我们还需要完善什么？

从许多方面来说，对希格斯玻色子的实验探索还只是处于起步阶段。我们目前正在进行的研究有两个大致的方向：一是在已经观察到的相互作用中观测得到更高的精度，二是检测迄今为止尚未发现的其他类型的相互作用。

我们先说精度的问题。对于希格斯玻色子与W和Z玻色子以及第三代带电轻子和夸克的相互作用，目前已知的精度约为5%～20%。如果我们对电磁力强度的测量精度仅为10%，我们恐怕就不会认为电磁学理论是正确的了。

追求更高精度的原因之一是，尽管上述标准模型中的希格斯机制是与数据一致的最简单模型，但它远非唯一可行的模型。事实上，正如我们将在下面详细说明的那样，人们普遍认为，目前的标准模型并不能说是对大自然的完整描述。例如，我们可以想象希格斯玻色子不是基本粒子，而是由其他尚未发现的粒子组成。对希格斯玻色子相关过程的高精度测量对于标准模型的这种理论上的扩展十分重要。而且，希格斯玻色子相关过程的速率可能会受到涉及任何新粒子的量子涨落的影响。即使在假定新粒子太重而无法在给定对撞机上直接产生和观察的情况下，这种影响也可能是可见的。一般来说，将精度提高4倍就可以有效地使间接探测这些新粒子的质量规模增加1倍。

理论上，改进的道路是直截了当的：在未来15～20年内，LHC获批的高亮度升级将使得数据量提高20倍，分析技术和理论计算也将得到可预见的改进，ATLAS和CMS实验预计会以百分之几以内的精度测量当前观察到的相互作用。要想更进一步，我们需要一种不同类型的对撞机。质心能量约为 250 GeV 的电子-正电子对撞机（“希格斯工厂”）被广泛地认为是一个很有前途的选择。其优点在于，电子和正电子与质子相比是非常简单的基本粒子，并且电子-正电子对撞机中主要的希格斯玻色子产生机制在很大程度上与强相互作用并没有密切相关。这样的对撞机可以将希格斯相互作用的测量精确度提高大约10倍。

现在让我们来讨论目前尚未发现的相互作用。尽管我们有能力提高与矢量玻色子和第三代（最重）夸克和轻子相关的希格斯玻色子的测量精度，但希格斯玻色子与我们日常生活的相关性在于，我们认为它可以产生第一代（最轻的）基本粒子、电子和上下夸克的质量。尽管很难通过实验测试我们对第一代费米子与希格斯玻色子之间相互作用的理论预期，但对于第二代费米子，尤其是希格斯玻色子与μ子之间的相互作用（H→μ+μ−衰变）仍然有良好的前景。到目前为止的数据表明，如果这样的衰变发生的速率符合标准模型，我们预计将在未来十年内看到这一结果。对其余第二代粒子的测量则更加困难。

LHC可以排除希格斯玻色子与粲夸克的异常强烈的相互作用。长期以来，人们一直认为，要想观察到明显的H→cc衰变现象，我们未来将需要更加强大的正负电子对撞机（或者电子-质子对撞机）。最近，LHC对这种衰变方式的探测敏感性有了显著提高，这引发了一个问题，即其观测结果在未来是否可能落在高亮度LHC的范围内。对于汤川相互作用的其他方式，我们目前还所知甚少。

我们正尝试确定正负电子对撞机对电子和奇异夸克的汤川相互作用的潜在敏感性，尽管目前看来，要想获得统计上的结论性信号非常具有挑战性。对于上下夸克与希格斯玻色子的耦合，我们目前还没有找到具体的可能路径，除非这些耦合在标准模型的期望下出现了很高的强度。我们也讨论了精确的原子物理测量是否会对观测涉及轻夸克的希格斯力有帮助这个问题，但这同样也不是一件容易的事情。

所有希格斯玻色子相关的物理学的核心都是希格斯势。回忆一下，我们之前说过，希格斯场在宇宙中的任何地方都是非零的，如果希格斯势取最小值，就会产生费米子和电弱玻色子的非零质量。希格斯物理学中最重要的开放性问题之一是，写在该方程中的势是否符合自然情况的势。我们无法直接探究希格斯场中不同值的潜在情况，但事实证明，紧邻最小值的特定形状决定了一个重要过程的概率，即一个希格斯玻色子分裂成两个（甚至三个）希格斯玻色子。这种过程被称为希格斯玻色子的自相互作用。目前普遍认为，对这样一个过程的精准观测是最好的（但不是唯一的）以实验方式确定希格斯势是否符合我们所在的世界的方法。等到15～20年后，高亮度LHC运行结束时，ATLAS和CMS实验预计将首次看到同时有两个希格斯玻色子产生的现象。然而，要想得到第一个希格斯玻色子分裂产生的希格斯对产物的确凿证据，我们肯定需要更强大的对撞机，至于是哪一种对撞机目前还在讨论当中。

这些只是正在探索的问题的一部分。其他推动LHC实验的灵敏度变高的重要因素包括对希格斯玻色子的寿命探测，以及在远高于电弱能级的能量下探究希格斯玻色子相互作用的性质。

粒子物理学和宇宙学中与希格斯玻色子相关的主要未决问题

上述许多测量实验之所以有趣，不仅是因为标准模型中的希格斯玻色子的基本性质，还因为它们可以将希格斯玻色子的作用扩展到标准模型之外的场景。尽管迄今为止，标准模型已经成功通过了众多的测量实验，但它也留下了几个重点问题。希格斯玻色子与这些谜题的可能解决方案在不同程度上有所联系。

我们以其中一些可能的联系来结束我们的讨论，如图2所示，它们在指导粒子物理学正在进行的实验和理论研究方向上发挥着重要作用。我们需要讨论很多内容，因此会更强调与希格斯玻色子密切相关的方面，稍后则只是简要提及一些更具推测性的想法。

图2 希格斯玻色子物理学与粒子物理学和宇宙学的主要未决问题的可能联系。粒子物理学中几个主要的开放性问题来自实验观测或理论论证。希格斯玻色子可能是解决其中一些问题的关键

物理学存在一个重要的难题：弱相互作用和希格斯相互作用都比引力相互作用强得多，大约是1032倍。因此，令所有已知的相互作用都来自一个统一且更简单的框架非常具有挑战性。在过去的几十年里，想要解释这种巨大差异的起源的愿望，即所谓的“等级问题”，激发了科学家们的一系列理论见解。

有一种可能性是，希格斯玻色子并不是基本粒子，而是由其他尚未发现的粒子组成的复合物质。还有人经过深入研究后认为，可以从新的（近似）时空对称性和新的空间维度入手。最近，根据某些更大胆的想法，弱能量尺度与宇宙演化过程或宇宙中的暗能量总值之间可能存在联系。

如果不去考虑这些想法，也不引入新的机制，弱相互作用和引力相互作用之间的等级只有在某些终极基本理论中的不同参数减小到1/1032内时才会出现。这被称为希格斯玻色子的微调问题。

希格斯玻色子的发现不可避免地使这些问题浮出了水面。希格斯玻色子的存在，以及它的（目前仍然是近似的）性质，已经排除了许多理论。与之前的几十年相比，我们现在有了更清晰的目标和要用理论模型来回答的更尖锐的问题。

另一个重要的问题是，为什么宇宙中的正物质比反物质多。这种所谓的重子不对称性无法利用标准模型来解释。如果满足一组合适的条件，就可以产生这种不对称性。目前我们正在探索的有希望的解决手段是追踪宇宙在大爆炸后冷却下来的历史。

当宇宙非常热时，希格斯场非零值处的希格斯势最小值在很大程度上是无关紧要的，因为温度的波动远大于势的深度。随着宇宙的冷却，情况发生了变化。在标准模型中，这种变化是平滑的。而其他场景，包括与希格斯玻色子相互作用的新粒子，将产生一个更尖锐的转变，这为产生重子不对称性初步奠定了基础。

这些场景会涉及更复杂的希格斯势结构，以及至少一种电弱能量尺度的新粒子。LHC可以通过直接产生，或利用其对希格斯玻色子耦合特别是希格斯自相互作用的影响，来探测到这种新粒子。因此，测量后者对于阐明这个问题至关重要。早期宇宙相变也可能产生引力信号，这可以通过未来的引力波实验检测到。

除了上述与希格斯玻色子直接相关的问题外，在其他一些背景下，希格斯玻色子也可以发挥重要作用，例如暗物质问题。天体物理学和宇宙学观测表明，宇宙中的大部分物质都不是由我们所知的任何粒子构成的，而是暗物质。这种观测依赖于暗物质对标准模型下的一般物质的引力效应。我们对暗物质的非引力特性知之甚少。质量在电弱质量和希格斯质量尺度附近的新粒子可能是有希望的暗物质候选者。

由于希格斯机制可以产生类似质量的标准模型粒子，因此它可能在产生暗物质质量以及其他方面也发挥了一些作用。在某些情况下，暗物质可能涉及不止一种粒子。与标准模型中的粒子类似，它们也有自己的相互作用，以及一整套与其密切相关的粒子。在这种情况下，希格斯玻色子将提供一个通往新“黑暗世界”的入口。

不同代标准模型粒子之间的质量和相互作用模式的起源也是一个有趣的谜题。例如，第一代夸克比第三代夸克轻得多，我们需要在标准模型中通过设置不同的汤川耦合值来进行手动排列。探索这种模式的起源也是几十年来努力的重点。由于希格斯场负责产生这些粒子的质量，我们很容易认为，实际的希格斯玻色子在结构上可能并不符合标准模型。

与这些想法相关的模型通常会预测希格斯玻色子和夸克（和/或轻子）之间的修正相互作用。这种模型的一个特征是，希格斯玻色子可以衰变成一对具有不同“味道”的夸克或轻子。同样，人们也可能会问，希格斯机制是否也会在产生极小的中微子质量方面发挥了作用。我们在这方面已经设想了几种模型。

上述问题将希格斯玻色子与已知或未知的基本粒子联系了起来。然而，基础物理学中也存在一些超越此类问题的谜团，并且设想了与希格斯玻色子之间的大胆但有趣的联系。例如，我们已经注意到，如果在比希格斯质量高9个数量级的能量下进行测量，希格斯玻色子在标准模型下的自相互作用会非常接近于零。一个非常奇怪且与之相关的事实是，标准模型下希格斯玻色子的基态能量似乎可能比我们所处状态的能量要低。因此，量子力学允许我们的整个宇宙存在可以衰变的“隧道”过程，尽管在宇宙 140 亿年的年龄内发生这种事件的可能性很小。我们提到的关于高能希格斯场新动力学的最后一种想法是其可能与暴胀有关。暴胀是早期宇宙中指数膨胀的时期，这对于解释宇宙微波背景惊人的长距离均匀性至关重要。自旋为 0 的希格斯玻色子可能是导致暴胀的原因。

希格斯玻色子是寻找上述几个问题的答案的宝贵工具。许多解决方案都预测了与希格斯玻色子发生直接相互作用的新粒子的存在。我们将在高能对撞机上积极寻找这些粒子。直接产生这些粒子的努力可能超出了我们的能力范围，例如由于LHC的能量不够，它们参与量子涨落可能会影响希格斯玻色子的产生和衰变，就像图2中顶夸克量子涨落介导的希格斯玻色子的产生那样。如上所述，未来对希格斯玻色子的精确测量将大大提高探测这种情况的灵敏度。

结论

在LHC上发现希格斯玻色子标志着粒子物理学新时代的开始。自那以后的十年里，由于实验和理论方面的进步，对希格斯玻色子的探索远远超出了当时的预期。到目前为止，与希格斯玻色子相关的测量都与标准模型一致，这是当前所有粒子物理学模型中最简单的奥卡姆剃刀原则的一次非凡胜利。在20世纪60年代首次提出的希格斯机制不仅与W和Z玻色子的质量产生有关，也适用于三种最重的费米子。这暗示了由希格斯玻色子介导的第五种力的存在。不过，还有很多事情有待探讨。无论在未来几十年里有怎样的发现，我们都将变得更加明智：这些发现要么会为标准模型的部分内容提供确凿的证据，例如希格斯势的性质；要么可以打开一扇通往全新视野和宇宙终极奥秘的窗口。

资料来源 Nature