超越希格斯: 奇特物理学现异常衰变信号

发布时间：12年08月28日

编译冯诗齐

新粒子的古怪行为或将帮助检验超越粒子物理学标准模型局限性的理论：一种新型的转瞬即逝的希格斯玻色子正在引发世界各地的狂欢热潮，但这种粒子也许尚未打破受到人们完全信赖的模型。或许，大多数物理学家正希望如此。

如果希格斯粒子比标准模型预测的更奇异，它就能给我们提供类似暗物质那样的实体的线索

　　虽然尚未对新粒子――被认为是希格斯玻色子，或至少是相似的东西――的许多属性进行测试。更重要的是，留在大型强子对撞机(LHC)探测器中的踪迹并不完全与粒子物理学标准模型的预测，即对于已知粒子和作用于其上的力的主要解释相匹配，新粒子因此也可能是更为稀奇古怪的东西，比如，是囊括暗物质和引力等神秘实体的更完整的宇宙模型的某个成员。这或将结束标准模型的至尊地位，但它也会引发比发现希格斯玻色子本身更盛大的庆贺。

新粒子意味着什么？

　　“我和我的很多同事认为，7月4日的这一宣布可能标志着标准模型将寿终正寝，”德国汉堡电子同步加速器研究中心(DESY)的格奥尔·魏格莱因(Georg Weiglein)说。“或许这些与标准模型的小小偏离增强了某个值得注意的偏差。也许，一旦我们用更多的数据来达到更精确的结果，我们就会看到，这并非标准模型的希格斯玻色子。”

　　7月4日，当LHC的两个子项目负责人公布他们的发现时，掌声、口哨声和欢呼声充斥于欧洲核子研究中心（CERN）的礼堂。紧凑渺子线圈(CMS)项目的乔·英卡代拉(Joe Incandela)和超导环场探测器(ATLAS)项目的法比奥拉·贾诺蒂(Fabiola Gianotti)都报告称，看到了符合希格斯特征的粒子异常，各自拥有125和126千兆电子伏特(GeV)。(在粒子物理学中能量和质量是可以互换的)

　　希格斯玻色子并不会使标准模型完美，作为希格斯场的基本组件，它还在自然界的物质中扮演着关键角色。按照标准模型，所有的粒子都必须通过这个无所不在的实体。某些粒子，比如光子可以不受阻碍地穿越――因它们没有质量。其他粒子则由于其质量而会放慢。“此玻色子的意义非常深远，”英卡代拉说，“它代表了所有现存其他粒子的实质。”

　　鉴于正式通告前的各种传言和炒作――以及有关一项发现在原则上可能是由采集的数据所得出的常识――新粒子的发现并非一个完全的惊喜。虽然引人瞩目，ATLAS和CMS都声称结果符合5西格玛信度（相当于每1 000万次已由检测仪中的后台进程所创建的读数中只有5次差错）。这已超出了最佳的预期成果。“我认为我们已经找到它，”CERN总干事罗尔夫·霍耶尔(Rolf Heuer)总结道。

　　讨论迅速转移到究竟“它“是什么东西的议题上。事实上，希格斯玻色子并未被直接看见，而是在其衰变为过量的其他粒子时由LHC的检测器拾取到。

　　给定质量的希格斯玻色子应以标准模型预测的速率衰变为这些粒子。然而所报道的新粒子的衰变速率并不完全与预测的约125GeV的质量相匹配(见图1)。异常可能会消失，产生一个标准模型的希格斯玻色子，或者，异常可能会增长。大多数物理学家希望见到后者。

　　显然，标准模型是不充分的，尤其是因为它不能解释占我们星系中80%的物质――暗物质――以及没有提及的引力。一个非标准模型的希格斯粒子会是一条重要的线索，因为其中有许多建议的对标准模型的扩展――如果有这么一条的话――是对现实的正确描述。

希格斯场也许在做该做的事

　　1979年因基本粒子理论研究而获诺奖的史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)先前曾表示，如果希格斯玻色子被发现只是熟练地履行其由标准模型所展示的职责，除此而外啥也没做时，这将是一场“噩梦”。通告发布后，他对《新科学家》杂志说，这种粒子不会给我们有关下一步是什么的线索。“关键是要不断寻找一个更全面理论的线索。”

　　幸运的是，在提交的数据中存在若干将噩梦变成好梦的可能。7月4日在澳大利亚墨尔本揭幕的国际高能物理大会(ICHEP)上，通过与来自ATLAS和CMS物理学家的对话以及在CERN通告之后，在arxiv预印本服务器上便出现了一系列论文，认为有谨慎乐观的理由。

　　根据标准模型，一个约125 GeV的希格斯玻色子会在约6%的时间内衰变为陶子，但它做的似乎要比这少得多。会上，CMS团队称，除了由后台进程预期外，在陶子产生中没有过剩。与此同时，ATLAS并未释放任何有关陶子产生的特定数据。“我认为这是一件非常有趣的事情，它或许想告诉我们，东西已经到手了，”CMS的阿尔伯特·德勒克(Albert De Roeck)说。ATLAS的保罗·杰克逊(Paul Jackson)对此认同：“这是一场发生在那里的很奇怪的游戏。如果继续观察，它肯定不是一个希格斯玻色子。”

　　它还会是什么?已知只存在两种类型的基本粒子：费米子，它构成物质，包括电子、夸克和中微子；玻色子，它携带力，包括光子、W玻色子和Z玻色子。根据标准模型，希格斯场负责所有费米子和玻色子的质量。但陶子是费米子――如果希格斯粒子并不衰变为陶子的话，或许也不会给它们以质量。也许希格斯粒子只给玻色子赋予质量?

　　德勒克认为可能就是这种情况。他指出，当彼得·希格斯(Peter Higgs)等人在上世纪60年代提出该理论时，希格斯机制仅用于解释玻色子的质量。直到后来，该机制扩大到包括所有其他承载质量的粒子。作为一种简化，“也许希格斯场正在做它应该做的事。”

New Fig-2 New particle, new questions

图2.新的粒子，新的问题

　　这很有趣，因为接着还需要有别的粒子负责给费米子赋予质量，一种刚开始听得很多的可能性是对标准模型做了假设、然而是数学上优雅扩展的超对称性。这一理论提出一系列新的粒子和超对称粒子以解决若干种标准模型所未能处理的现象，包括暗物质以及一个棘手的称为级列问题(hierarchy problem)的矛盾。超对称性指定5个希格斯玻色子的最低值，加上几个超对称粒子希格斯微子(Higgsinos)――这些另类希格斯粒子中的某些可能会给费米子以质量。如果事实证明在LHC中发现的玻色子不会如此的话。

　　对于过早由陶子数据作如此多的推断，很多人都持谨慎态度。ATLAS前主管彼得·詹尼(Peter Jenni)并不认为它还会告诉我们任何事情。他说，较大的统计偏差已经在以往被消除，并希望这次也一切顺利。

　　但几乎所有人都同意这是一条保持监控的通道。英卡代拉在ICHEP上说：“这并非表明我们对此无动于衷，但的确值得一看。”

衰变数据指向暗物质

　　陶子的低比率并不是数据中的唯一异常。CMS和ATLAS团队还报告称，新玻色子似乎太过频繁地衰变为一对光子――大约为标准模型预测率的一倍半。如果这种趋势继续下去，有可能意味着在探测器中正在产生另一种不是类似希格斯玻色子的粒子。德勒克说，这种粒子可能是由超对称性预测的另一种希格斯粒子，或是其他什么东西。

　　这一“双光子”(diphoton)过剩是极为重要的。中国浙江大学的王凯说：“如果保持当前的势头并提高精度，我相信它将强有力地预示非标准模型物理学的存在。”

　　通告公布两天后，王凯团队在arxiv上发表一篇论文证明陶子的超对称粒子――“超对称陶子(staus)”――的存在，并可以解释双光子的过剩。他们证明，通过一个由伊利诺斯州巴达维亚费米实验室团队首次提出的机制，这些粒子可能会令希格斯粒子产生更多的光子(arxiv.org/abs/1207.0990)。不过，这样的实验对于LHC来说不会轻而易举，王说。发生在LHC中的那种碰撞难以产生超对称陶子，人们可能需要别种类型的对撞机。

　　另一个很有趣的解释――能说明陶子的不足和光子的过剩――出现在7月5日的arxiv上。费米实验室的丹·胡珀(Dan Hooper)和马修·巴克利(Matthew Buckley)计算出，如果顶夸克的超对称粒子――超对称顶夸克(stop)――在希格斯衰变时出现，它将改变衰变以产生这两种异常(arxiv.org/abs/1207.1445)。与此相反的是，一个超对称陶子仅说明光子的过剩。“如果你只想引入一个新粒子，超对称顶夸克是唯一一个令你满足在解释数据时所需要的一切，”胡珀说。

　　超对称陶子或超对称顶夸克对于发现暗物质而言是个好消息。“在这些情形之一，你至少期望有一个比超对称陶子或超对称顶夸克更轻的超对称粒子，”胡珀说，“那可能就是暗物质。”

　　虽然这些可能性令人兴奋，但几乎所有的人都非常谨慎。“所有这些事情，就像他们的白日梦，”CMS的克里斯托夫·帕夫斯(Christoph Paus)说，“当然，我很想看到有所不同。但恕我直言，目前的一切都还像标准模型希格斯粒子。”即使这两个异常消失，希格斯粒子也不必在温伯格的梦魇中离开我们。

寻找最后一块拼图

　　尽管ATLAS和CMS有足够的数据确信看到了新的玻色子，然而他们尚未足以确定其属性。他们现在需要确定粒子的自旋――一种有点像粒子旋转轴角度的量子属性。

　　从观察到的衰变到光子对现象，加上粒子肯定是玻色子的事实――令其自旋不是2就是0。然而，要通过希格斯机制来承担赋予其他粒子质量的责任，其自旋必须为0。只有如此，粒子才能成为希格斯场中无方向性的、或“标量的”基本组件。

　　大多数物理学家认为，它会是0。因为在对撞机中生成自旋为2的粒子更难，因而数量较少。然而，即便是0，依然存在另一种方式使它是非标准的――该标准关乎一个名叫宇称的属性，它最容易通过镜像来解释。通常情况下，如果一个粒子的自旋为0，其镜像图像看上去完全相同。但也有可能粒子的自旋为0，但却并不具有该属性。在五种超对称性希格斯粒子中，有一种称为赝标量(pseudoscalar)的，就具有该属性。

　　“从寻找某个赝标量的东西，一直到走上超对称性的轨道，”德勒克说。可是他又恼火地补充说，如果它不是赝标量，那也并不意味着要排除超对称性。

　　与此同时，詹尼在为噩梦般场景的想法而生气。他认为，寻找标准模型的希格斯粒子正当其时。“寻找这最后一块拼图是LHC的主要目标之一。我们也知道标准模型并没有解释这一切，所以我并不认为这意味着未来15年在LHC的生活将乏味透顶。”

　　明年，在LHC升级而休眠前，其所收集的数据总量将增长一倍以上。一些人为此估计，可能在一年内可解决陶子、双光子和自旋的问题。

　　假如我们真的生活在超对称、或甚至更怪异和美妙的宇宙中，这对我们这些坐立不安等待发现的人来说，确实是个好消息。但对那些在ICHEP上希望很快产生希格斯结果、且已精疲力竭的人而言，这是只杂物箱。“现在所有的磨难都已挣脱，”德勒克说，“我正想去度假。不过现在么……”

资料来源New Scientist

责任编辑则鸣

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中科大为发现疑似希格斯粒子作出重要贡献

　　7月4日，欧洲核子中心正式宣布观测到疑似希格斯粒子。这一重大发现是大型强子对撞机上ATLAS和CMS两大国际合作实验组数千名物理学家合作的成果。来自中科院高能物理研究所、中国科学技术大学等单位的中国科学家，也参与了探测器制造及相关的研究工作。

　　中国科大ATLAS组负责人赵政国说，该校直接参加了ATLAS实验希格斯粒子的寻找与探测。在对希格斯粒子到双光子衰变物理分析中，中国科大承担了基于电磁量能器的光子鉴别与触发效率的研究。

　　据了解，强子对撞高能实验中，区分光子信号与大量的强子噪声是实验分析的关键，将直接影响希格斯粒子到双光子衰变信号的探测。中国科大组的工作对确定光子探测效率起到了重要作用。另外，在双玻色子4轻子衰变信号研究中，科大组负责在数据中筛选可能的信号事例，并对相关过程的噪声伪信号进行分析研究。

　　中国科大ATLAS组由7名教师和12名研究生组成。早在1997年，该校就参加了ATLAS缪子窄气隙室（TGC）预研制，负责触发探测器电子学读出系统设计，成为中国ATLAS重大国际合作的发起单位。