編譯 高斯寒

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的龐大CMS探測(cè)器將會(huì)搜尋雙希格斯事件

對(duì)于迫不及待想要探索新疆域的粒子物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，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(duì)撞機(jī)——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider，LHC）探測(cè)到希格斯玻色子。這種人類長(zhǎng)久以來(lái)苦苦尋找的粒子填補(bǔ)了基本粒子和基本力標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一個(gè)缺口。但是從那時(shí)起，標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)成功通過(guò)每一次測(cè)試，沒(méi)有產(chǎn)生對(duì)物理新發(fā)現(xiàn)的一丁點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室，LHC的實(shí)驗(yàn)者計(jì)劃搜尋那些不只是產(chǎn)生一個(gè)希格斯玻色子，而是產(chǎn)生兩個(gè)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(jiàn)的雙希格斯事件，就能指明標(biāo)準(zhǔn)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(gè)重大發(fā)現(xiàn)。”理論物理學(xué)家莎莉·道森（Sally Dawson）說(shuō)道，她在位于紐約州阿普頓的布魯克黑文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室工作，也是最近在位于伊利諾伊州巴達(dá)維亞的費(fèi)米國(guó)立加速器實(shí)驗(yàn)室（費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室）舉辦的研討會(huì)的組織人，該研討會(huì)匯聚了100多位物理學(xué)家，旨在打磨長(zhǎng)期搜尋所需的概念工具。

希格斯玻色子在標(biāo)準(zhǔn)模型中扮演特別角色。標(biāo)準(zhǔn)模型描述10多種粒子如何通過(guò)三種力相互作用：電磁力、弱核力和強(qiáng)核力（理論不包括萬(wàn)有引力，這是其主要的缺點(diǎn)）。模型中的力產(chǎn)生于某些數(shù)學(xué)對(duì)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(shí)有效。因此，質(zhì)量必定通過(guò)另外無(wú)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(gè)地方登場(chǎng)。物理學(xué)家假定，太空中含有一個(gè)希格斯場(chǎng)（有點(diǎn)兒像電場(chǎng)），產(chǎn)自于潛藏于真空的希格斯玻色子。粒子與希格斯場(chǎng)發(fā)生相互作用，獲得能量，進(jìn)而通過(guò)愛(ài)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(jī)制收獲了稱頌與支持，當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家利用LHC配備的兩種全球最大的粒子探測(cè)器超環(huán)面儀器（ATLAS）和緊湊渺子線圈（CMS）進(jìn)行研究，對(duì)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(shuō)，會(huì)衰變成一對(duì)光子。但物理學(xué)家不確定他們觀測(cè)到的東西到底是標(biāo)準(zhǔn)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(cè)器所探測(cè)的對(duì)撞中，兩個(gè)希格斯玻色子可能已經(jīng)衰變?yōu)榈卓淇?/p>

通過(guò)揭示希格斯場(chǎng)與自身相互作用的強(qiáng)烈程度, 雙希格斯事件保證了一種確定的方法。假如周圍沒(méi)有電荷，電場(chǎng)會(huì)消失，但希格斯場(chǎng)肯定存留在真空中，不然它會(huì)無(wú)法將質(zhì)量賦予其他粒子。標(biāo)準(zhǔn)模型假定：存在自我相互作用的希格斯場(chǎng)時(shí)，將質(zhì)量賦予其他粒子；希格斯場(chǎng)的能量最少化，能量沒(méi)有消失而是取得非零強(qiáng)度。

從數(shù)學(xué)角度來(lái)說(shuō)，有許多方法可以形成這樣的方案，而標(biāo)準(zhǔn)模型運(yùn)用最簡(jiǎn)單的方法，只有一個(gè)參數(shù)控制。而那個(gè)參數(shù)預(yù)測(cè)了成對(duì)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(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)模型的方法。

挑戰(zhàn)在于發(fā)現(xiàn)這些極其罕見(jiàn)的衰變。標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)是：在每10 000次讓LHC生成一個(gè)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(huì)生成一對(duì)希格斯玻色子。雙希格斯事件會(huì)生成雜亂的其他粒子流，使得它們更加難以確認(rèn)。LHC已經(jīng)生成大約1 000次雙希格斯事件，但ATLAS和CMS還沒(méi)有篩選來(lái)自背景的信號(hào)。

不過(guò)，LHC的實(shí)驗(yàn)者對(duì)自己的運(yùn)氣很樂(lè)觀，尤其是因?yàn)樗麄儼l(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(cè)到一種格外紊亂的衰變模式。在該模式中，一個(gè)希格斯玻色子生成一對(duì)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?yàn)樗褜ひ蕾囉谝环N情況：一對(duì)希格斯玻色子中至少有一個(gè)最可能以這種方式衰變。

LHC的實(shí)驗(yàn)室也許需要數(shù)年來(lái)看到一個(gè)信號(hào)。從2018年晚些時(shí)候開(kāi)始，LHC將會(huì)閑置2年，接受升級(jí)改造。2026年，它會(huì)再接受2年的升級(jí)，提高它的碰撞率。所謂的高亮度LHC會(huì)從那時(shí)運(yùn)行到2034年。表面上看來(lái)，只有完整運(yùn)行會(huì)生成充足的數(shù)據(jù)，足夠證實(shí)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)。然而，一些物理學(xué)家認(rèn)為，隨著他們發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的算法繼續(xù)改進(jìn)，他們能擊敗那個(gè)時(shí)間表。“甚至在高亮度LHC出現(xiàn)之前，我也認(rèn)為我們能逼近標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)?！辟M(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的CMS課題組成員卡泰麗娜·韋爾涅里（Caterina Vernieri）說(shuō)。

當(dāng)然，所有的LHC實(shí)驗(yàn)者都希望雙希格斯事件的比率會(huì)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)值。CERN的理論物理學(xué)家埃萊妮·弗旺尼多（Eleni Vryonidou）說(shuō)，它不可能非常高，否則它會(huì)受到觀測(cè)的希格斯衰變的間接約束。然而，她預(yù)測(cè)，雙希格斯事件的比率可能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)值的6倍。

比率的這種增加表明存在著會(huì)與自身發(fā)生強(qiáng)烈相互作用的希格斯場(chǎng)；它也可能標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)模型擴(kuò)充所預(yù)測(cè)的質(zhì)量更大的希格斯伴侶粒子。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的理論物理學(xué)家瑪塞拉·卡雷納（Marcela Carena）說(shuō)，它可能有遠(yuǎn)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(shuō)，一種與自身發(fā)生強(qiáng)烈相互作用的希格斯場(chǎng)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(huì)違背標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)，清點(diǎn)它們數(shù)量的探尋也會(huì)有豐碩的回報(bào)，任職于倫敦大學(xué)學(xué)院的ATLAS實(shí)驗(yàn)者凱瑟琳·利尼（Katharine Leney）說(shuō)道：“包括我自己在內(nèi)的許多人一直探尋下去，無(wú)非是想能夠一次和永遠(yuǎn)講明白，它到底是不是標(biāo)準(zhǔn)模型中的希格斯玻色子。”

資料來(lái)源 Science