过去一年，大型强子对撞机（LHC）CMS和ATLAS实验的物理学家一直在分析这个巨大机器不断增加的数据样本。 关于实验们在下周于欧洲核子研究组织举行的会议上可能宣布有关希格斯玻色子搜索的消息，谣言四起。下周二，两个实验将在欧洲核子研究组织举行一个联合研讨会，展示最新结果。虽然我不能告诉你们下周将要说的所有内容（也不知道我没看过的ATLAS实验的结果），但根据欧洲核子研究组织总干事发表的公开声明，你们已经知道一项明确的发现还不会出现。但是，继Matt Strassler关于物理学的精彩帖子之后，我想或许可以告诉你们过去一年达到这一搜索阶段是怎样的。正如你们可能知道的，这两个大型实验各有3000多名来自世界各地的物理学家参与。许多人，但绝不是大多数，都驻扎在欧洲核子研究组织；大多数人在欧洲、北美和亚洲及其他地方的母校工作。允许我们如此大规模地在全球协作的主要因素是视频会议。我们使用了一个名为EVO的系统，由加州理工学院开发，它允许我们安排会议，并从笔记本电脑或台式电脑连接，甚至可以通过电话拨入。有时很明显，人们是从奇怪的地方通过电话连接的：一次我听到有人在意大利火车上参加会议的清晰声音，常常听到人们开车时说话（希望是用免提设备），而且经常听到背景里有孩子的哭声（包括我自己的）。问题是，对于不同大洲的不同人来说，会议可能在一天中的任何时间举行。幸运的是，实验们倾向于在欧洲时间下午晚些时候举行会议，这对于像我在加州的人来说是清晨。我们的视频会议系统一个好处是，你可以选择是否传输或接收会议的视频部分，这通常不如查看正在讨论的材料有用，而后者通常是PowerPoint幻灯片的形式。这使得在清晨参与会议更加容易！没有人必须看到你穿着睡衣，他们可能也不想看到。我今天早上确实是这样做的，早上6点。那么，所有这些会议都是关于什么的？在CMS中，我们整个产生物理结果的系统具有一种金字塔式结构。每个实验都有一些物理分析小组，通常每周或每两周开会一次，有两个“召集人”负责制定议程和主持会议。这些召集人的职位通常由合作组织中的资深人士担任，如教授或资深实验室科学家，任期两年，每年更换一名召集人。他们向总物理协调员及其副手汇报。在物理分析小组内，还有致力于研究集的分组，这些研究集共享共同主题、共同工具或相似方法。这些分组中的每一个又由一对召集人领导，他们负责制定持续进行的研究并指导其获得物理分析小组的批准。我们有一个我认为相当令人印象深刻的内部网站，专门用于跟踪每个物理分析的进展。从一个网站，你可以深入到一个特定的物理小组，找到你想要的研究，获取所有文档的链接，并跟踪正在发生的事情。同时，还有一个网络系统用于记录每次会议上呈现的材料。每个研究的目标是获得其物理小组的批准，以便在会议和研讨会上公开发布。这需要有完整的文档，包括包含分析完整细节的内部笔记，以及一个对公众开放的“公开分析摘要”，它常常成为同行评审论文的基础，而论文很快就会随之而来。每个分析都被指定一个由三到五名在该主题有经验的人组成的分析审查委员会，他们扮演一种“突击队”的角色，通过在分析的每个阶段提出问题和评论，让分析人员保持警惕，无论是关于实际的分析细节还是文档。毕竟，如果我们不自己批评自己，别人会乐意承担这个角色！从最初记录质子-质子碰撞数据到最终的物理结果的过程可能需要几个月。到目前为止，运行在每次碰撞上的基本算法已经确立，以重建发生的事情。但在过去一年中，加速器的运行条件发生了变化，质子-质子碰撞的发生率不断提高。在每25纳秒的“束团交叉”中，到今年年底，我们平均记录多达10次质子-质子碰撞。通常只有一次是我们感兴趣的，其余都是“最小偏差”事件，即质子以掠射角碰撞。然而，这些额外的相互作用在今年给我们带来了很多麻烦，因为它们导致探测器记录了额外的能量，产生了额外的带电轨迹，并歪曲了我们在每次碰撞中试图测量的各种量。这是2011年的主要挑战之一。在处理我们记录的数据的同时，我们对已知的标准模型碰撞过程进行全面模拟，这些过程是我们搜索新粒子时的背景。进行这些模拟存在巨大的组织挑战，这些模拟运行在致力于CMS数据分析的全球计算机网格上。我们在美国利用开放科学网（Open Science Grid），在欧洲利用EuroGrid，以及散布在世界各地的其他集群，总共有数万个计算节点。任何新粒子搜索的基本思想都很简单：你选择一个能够保留尽可能多的可能来自新粒子的碰撞事件，同时尽量减少背景事件。然后，你根据已知的过程预测背景事件的数量，看看是否还有剩余的过剩。如今，几乎所有的分析都使用某个最终量的分布（例如新粒子的估计质量）来寻找这些过剩。此时，可以使用统计技术来估计根据观测到的光谱可能的最大贡献，或者如果存在过剩，计算仅背景产生这种过剩的概率。这就是我们如何引用结果的统计显著性。然而，细节令人难以置信。这里的图表显示了统计过程的复杂性，该过程能够正确地跟踪搜索通道之间以及通道内部可能发生的所有细微相关性。（此图由纽约大学的Kyle Cranmer提供，他是ATLAS实验的主要希格斯组合者之一。）
我们的会议中有很大一部分用于研究我们观测到的光谱与基于全面模拟或利用实际观测数据预测背景的巧妙技术预测的光谱之间的协议水平。在寻找希格斯玻色子的案例中，有几十个“通道”可供搜索，这反映了希格斯是如何产生的以及它是如何衰变的。然后将这些单独通道的结果合并成一个最终的统计分析，该分析基本上回答了这个问题：是否存在希格斯玻色子产生证据，如果希格斯质量为如此这般的数值？下周将在欧洲核子研究组织上展示的实际上就是该分析的结果，以及尽可能详细地说明支持这一答案的结果。今年，我们对希格斯玻色子不存在的区域的了解有了戏剧性的飞跃，几周前，CMS和ATLAS的合并结果只在115-140 GeV之间留下了很小的质量窗口，它可能存在于那里。碰巧，剩余的质量区域是LHC最难探索的区域，但很明显，凭借今年预期的数据集，以及现在已经记录和分析的数据，LHC可以进一步缩小这个窗口，甚至可能在合并两个实验的结果以及Tevatron的数据后完全关闭。但除非希格斯不存在，否则窗口才会完全关闭。一段时间以来，今年秋季早些时候，科学媒体上充斥着关于“不存在希格斯玻色子”可能性的猜测，但随着允许的质量窗口缩小，它一直缩小到我们期望希格斯玻色子存在于此区域，如果它确实存在的话。所以我们还不应该放弃！我们知道需要更多数据才能达到黄金五西格玛水平确立希格斯玻色子的存在并开始测量其质量等，但到明年夏天，我认为无论如何都会明朗。我在整个过程中的角色始于多年前，当时我与我的学生和博士后一起，为识别陶子衰变（陶子是电子最重的伙伴）创建了新的算法，并帮助开发了计算希格斯玻色子质量从其衰变成陶子对的新方法。到去年，在我们拥有大量物理数据样本之前，我们已经在物理分析小组中确立了我们打算在此次搜索中部署的方法。我们与其他机构的小组合作，一年前，另一位教授（来自威斯康星大学麦迪逊分校的Sridhara Dasu）和我领导了一个由大约10名学生和博士后组成的团队，完成了该分析的第一个版本的完整流程。这花了几个月的时间，但最终我们在LHC开始以更高的亮度进行数据传输时，在春季的《物理评论快报》上发表了结果。有了新的数据，我们在夏季会议上大致“按下了同样的按钮”，做了一些微小的改进，然后在秋季再次改进。这项模式由希格斯搜索中的十几个其他团队并行重复。我估计在CMS中至少有200人认真参与了这次搜索。对所有相关人员来说，这更像是一场马拉松而不是短跑，现在我的前学生已经是威斯康星大学的一名博士后，而我的前博士后已经是法国一所理工学院的一名科学家。我可以告诉你，我的分析小组中有一些我曾有幸共事过的最优秀、最有才华的物理学家。对我来说，这是在这个领域工作最大的乐趣之一：你被真正聪明的人包围着。看看媒体将如何解读下周出现的结果将会很有趣。物理学家们仍然对1992年《纽约时报》一篇题为“300名物理学家未能发现超对称性”的文章的教训记忆犹新，并且已经变得更加善于与媒体打交道。如果你相信传闻，那么也许一个更贴切的比喻是一株微小、正在生长的新植物，两片叶子伸出土壤。有了更多的水和光，它就会生长。而且会继续生长。而且会继续生长。
