中國原子能科學研究院 周書華 編譯自Dan Garisto. Physics，July 1，2022
本文選自《物理》2022年第10期
2012年7月4日，歐洲核子研究中心主任Rolf Heuer宣布發現了一種新粒子——希格斯粒子。這一發現在物理學界引起了熱議。
標準模型預測基本粒子通過與希格斯玻色子相關的場獲得質量，希格斯粒子的發現再次表明標準模型的正確性。然而，標準模型本身還存在着缺陷，它不能解釋如暗物質、引力和中微子質量的問題。而近十年來對希格斯粒子的研究仍不能給出超出現有理論的線索。研究希格斯粒子的物理學家認為重要的是對希格斯粒子了解了多少，以及還有多少需要了解。
科學家們一直在努力驗證所發現的希格斯玻色子確實與理論家預測的希格斯玻色子相同。大型強子對撞機的兩個實驗ATLAS和CMS的研究人員繼續對所發現的粒子進行越來越嚴格的測試，使用新技術來發現隱藏在相似事件中的稀有事件(例如罕見的希格斯衰變)。這項努力可以回答有關希格斯粒子如何與其他粒子耦合以及它是否只是眾多類似希格斯粒子之一的懸而未決的問題。確定這些希格斯粒子的特性還可以解決潛在的謎團，例如暗物質的性質或物質—反物質不對稱的起源。
2012年初，質量大約為125 GeV的希格斯玻色子的跡象出現在3 sigma置信度附近，低於通常聲稱發現所需的5 sigma水平。研究人員最初將探測到的粒子稱為「希格斯玻色子候選者」。
2013年獲得了完整的第一輪數據。分析表明，新發現的希格斯粒子確實是一個自旋為0的粒子，CP為偶數，這意味着它與粒子的耦合方式和它與具有反向宇稱的反粒子的耦合方式相同。此外，來自ATLAS和CMS的測量結果將希格斯質量控制在125 GeV，誤差小於1%。
在ATLAS探測器中希格斯玻色子衰變成兩個μ子(紅色徑跡)
從2015年到2018年的第二輪實驗使ATLAS和CMS的數據增加了6倍。新的機器學習方法能夠篩選嘈雜的背景，清楚地識別像底夸克這樣的粒子。理論方面，研究人員竭盡全力減少不確定性，通過考慮代表兩個粒子之間相互作用的無限級數中的其他更小的項，對頂夸克生產等過程能夠做出精確預測。對探測器的改進也能更好地鑑別事件。這一進展的代表是對希格斯衰變到兩個μ子的測量。這種罕見事件的信號通常會在Z玻色子衰變為兩個μ子的噪聲中丟失。ATLAS和CMS合作組最近報道了希格斯粒子衰變為兩個μ子的3 sigma證據——這為研究人員很快發現這種看似遙不可及的探測提供了希望。
μ子的衰變是很獨特的，因為它是希格斯與較輕的費米子相互作用的第一個證據——以前對希格斯—費米子相互作用的觀察都涉及最重的費米子的產生(底夸克、頂夸克和τ輕子)。發現所有具有質量的粒子都從希格斯粒子中獲得質量，這是對標準模型的關鍵性確認。
理論家的新想法也影響了實驗工作。大型強子對撞機的有效場理論(EFT)方法最好地概括了這種富有成效的相互作用。使用EFT方法，理論家可以指導實驗家對未發現的粒子進行精確測量。例如，希格斯粒子衰變到Z玻色子和光子是由所有粒子的貢獻導致的。如果衰變率偏離預測，這可能是一個看不見的重粒子的跡象。
即使希格斯衰變與標準模型預測相匹配，仍然可以提供有價值的信息。CMS的希格斯物理聯合負責人Nicholas Wardle指出，一些替代的希格斯模型預測希格斯玻色子與輕子(例如電子)的耦合不同於夸克。因此，確定所有的耦合強度和其他希格斯參數是對理論進行限制的一項重要工作。
第三輪實驗2022年7月5日正式開始，將使粒子物理學家獲得一批新的數據。LHCb(LHC實驗之一)也可以通過探測希格斯與粲夸克的耦合來發揮作用。高亮度LHC(計劃於2029年進行升級)將能夠通過兩個希格斯粒子的生產來測量希格斯粒子的自耦合。
希格斯粒子剩餘的秘密繼續激勵着粒子物理學家。
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