希格斯玻色子……“上帝粒子”（呃……对不起，里昂）。粒子物理学的圣杯。（嗯，还有暗物质那回事，但谁知道那是什么呢……）从哪里开始呢？希格斯玻色子是一个，或许多个，在那里，或不在，等待着被发现，如果我们能够做到的话。但它是什么？为什么是它？它真的存在吗？经过大型加速器数十年的实验，我们现在知道很多了。反过来说：费米实验室的Tevatron，欧洲核子研究组织的LEP 1和2，日本高能加速器研究机构的KEK-B，SLAC的PEP2，康奈尔大学的CESR，SLAC的SLC，欧洲核子研究组织的SppS，DESY的HERA，高能加速器研究机构的Tristan，SLAC的PEP，DESY的PETRA。但迟早，这一切都会归结为最重要的：欧洲核子研究组织的LHC。这个机器很可能将回答这个问题：电弱对称性破缺的起源是什么？也就是说，为什么弱核力的载体，W玻色子和Z玻色子，有质量（而且质量很大），而光子却完全没有质量？如果我们真的足够幸运，我们可能会开始得到这个问题的答案：为什么基本粒子会有质量，以及它们所拥有的那种相当奇特的质量？即使我们知道这一切，那又怎样呢？然后呢？一个段落里有这么多术语和缩写……所以我们从那里开始。首先，“电弱”这个词。我们相信我们所知道的所有粒子都在“电弱”意义上相互作用，也就是说，它们都参与弱核力，如果它们带电荷，也会相互作用于电磁力。我们相信电磁力和弱核力是自然界一个单一基本力的表现。 “电磁”这个词应该能让你领会到这项事业的精髓。电=磁已经存在了近150年，最早在1861年由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的“经典”电磁关系中统一起来。这一壮举让人类第一次尝到了战胜物质、能量、空间和时间的胜利，并将我们推入了现代。当然，人们可以尝试将电磁学与自然界的另一个显而易见的力量——引力——统一起来，引力的普遍性早在17世纪末由艾萨克·牛顿确立。但不行。引力至今仍顽固地抵抗着统一。也许稍后再谈。与此同时，19世纪末和20世纪初发生了一系列不可思议的事件：建立了一个似乎完全真空（没有“以太”作为电磁波的载体），不可否认的绝对宇宙速度极限，即光速。然后，一系列快速的事件接踵而至：量子力学、狭义相对论、原子、原子核，最后是我们世界量子力学描述的黎明。到1930年，量子革命完成了，我们就可以着手进行人类通常的（智力）殖民、军事化、剥削和资本主义模式了。我们现在享受的所有现代技术主要源于我们首先理解然后技术化量子世界的能力。我们做到了：解开了原子的秘密！我们还获得了原子核作为奖励！如此小的空间里蕴含如此巨大的能量……难以置信。难道还有更多吗？我们人类从不停止——我们不断探索更深处，在这种情况下，更深意味着更小，更小意味着更高的能量，更高的能量意味着更大、更昂贵。不过，哪个政府、哪个势力会想错过这个机会呢？如果你能制造核武器，也许质子和中子内部有更小的东西，你就能制造一个更大或更好的武器？毫无疑问——军队推动了这一进程。在美国，核武器经济比汽车工业大得多，科学家们在20世纪50年代和60年代可以自由地追求这些问题：核子（质子和中子？）内部还有更小的东西吗？是的。很多。随着加速器能量越来越高，我们产生了更多新奇的粒子，前所未见。我们早在20世纪30年代就知道，或者至少相信我们知道，世界上存在反物质。反物质看起来和普通物质一样，但电荷相反。术语是“量子数”：对于每个具有已知量子数的粒子，都存在具有所有相同性质但量子数相反的反粒子。电子的电荷是-1，它的反粒子的质量和相互作用相同，但电荷是+1。反电子在任何意义上都没有“反质量”，但看看方程，你可以稍微歪歪头，如果你嘴巴放对位置，反电子看起来就像一个具有负能量、向后移动的电子。但别管它了。反电子，或称正电子，确实存在，它们向前移动，并且具有正能量。（迷路了？别担心……）我们所知道的所有基本物质粒子都有对应的反粒子。但什么是*基本*粒子/反粒子？哪些是真正不可分割、不可激发、基本、绝对初级的？20世纪50年代、60年代和70年代出现了一大批粒子，但我们直奔主题：这里有一张所有*基本*物质粒子的图片，我们所知道的所有物质（除了暗物质；稍后还会再谈）都是由这些东西组成的：
有六种夸克（及其反夸克镜像），以及六种轻子。它们显然按质量递增的顺序排列成三个“族”或“代”。在每代中，我们发现相同的四种基本类型：一种中微子，一种带电轻子，以及两种夸克。夸克通过强力相互作用，即维持原子核本身结合的力量。所有粒子都通过弱核力相互作用。除了中微子，所有带电粒子都通过电磁力相互作用——它们带电荷。我相信20世纪最伟大的（我是说最最伟大的）发现是认识到自然界的每一种对称性都对应着某种守恒的物理量。艾米·诺特艾米·诺特没有因为这项深刻的工作获得诺贝尔奖，这真是莫大的遗憾。对称性在我们周围无处不在——有些很简单，有些则不那么简单。例如，考虑时间对称性。我们（推测）的物理定律在您读完这句话的此刻与现在相同，并且在100年后也将保持不变。如果您在时间上移动（平移），规则保持不变。这种对称性实际上导致了能量守恒。同样，如果您在空间中移动，物理定律也是相同的。这导致了动量守恒。如果您在一个比您现在书写它们所用的参考系旋转42.6度的参考系中重写物理定律，它们是相同的……角动量守恒！哇！但事情变得更好了。我们从上个世纪初就知道，您需要遵守相对论的规则。好的。还有量子力学。好吧……怎么做？我们写出遵守所有规则的波函数。然后我们让它们也遵守我们所知的所有对称性。事实证明，波函数由复数表示，复数有实部和虚部。（通过虚数，我们指的是负1的平方根的倍数，而不是“eleventy-forty seven”，这也许是另一个虚数。）复数丰富而迷人，复数复变函数的微积分既有趣又美丽。最值得注意的是，当与量子力学和相对论结合时，这种微积分完美地描述了世界。“完美地描述了世界”？好吧，它在亚原子粒子层面相当好地描述了广泛的现象……非常惊人地好。我们称之为标准模型。我在这里用大写字母表示，因为它已经变得如此根深蒂固，并且在如此广泛的现象中具有如此强的预测能力，以至于你必须给它一个正式的名称。我和我的大多数朋友都期待着有朝一日能够摧毁它，并将其恢复为小写字母，即曾经的标准模型。毕竟，它只是一个模型。要构建标准模型，我们假设我们的波函数遵守某些特殊的对称性，称为规范对称性。最容易理解的是U(1)。对于复数波函数，在某个特定时空点找到粒子的概率是通过计算波函数的模来计算的，大致是它的绝对值或大小。基本上，在它所在的复数空间中，你把它平方。然而，事实证明，如果您平方波函数，或者平方波函数乘以模为1的复数（e的某个虚数次幂），您会得到*完全相同的概率*。这个虚数实际上可以是一个时空位置的函数。它实际上与复平面中波函数的一次旋转相同……这就是U(1)对称性。奇迹来了：如果您要求我们的相对论性、复数、量子力学波函数在这些U(1)变换下保持不变，那么您就会得到电磁学。电荷守恒。无质量的光子。QED——量子电动力学，以其12位数的精确度而闻名。*电磁学是任何波函数U(1)对称性的简单结果。* 当你拥有锤子时，尤其是像这样的锤子，一切看起来都像钉子。因此，在20世纪60年代和70年代，理论家们开始努力，并提出了下一个对称性水平，也就是（惊喜）被称为SU(2)。如果我们对波函数施加SU(2)，我们就会得到……好吧，一个谜。因为U(1)似乎被严格遵守，而且虽然粒子似乎遵守SU(2)，但它只是近似的。（粒子界的朋友们，请在这里关闭你们的虚拟耳朵/眼睛，因为我在这里犯了过度简化的罪过。）它是一种“破缺”的对称性。也许在非常非常高的能量下它看起来是完美的，但在寒冷坚硬的地球上，它被破缺了，可以说是相当严重。然后，突发新闻，大约在20世纪70年代：强核力似乎可以用精确的SU(3)对称性来描述！但是，唉，我们计算SU(3)量子力学中任何东西的能力都因为以下事实而受阻：a)强力的载体，“胶子”（类似于光子）可以直接与自身相互作用，并且b)强力非常强，我们无法使用我们最喜欢的量子力学近似技巧，微扰论，来计算任何可测量的东西。粒子理论家和实验物理学家的一个亚文化由此诞生，他们一直穿着70年代的侧鬓毛（女性除外），直到90年代，那时它们又神秘地流行起来。量子色动力学是我们对强力的理论的名称，“色荷”是我们守恒的东西，它相当完美地解释了强相互作用。与此同时，人们提出了许多带有SU(2)类对称性的模型，但其中一个模型在随后的激烈智力战中脱颖而出。这个模型，由Sheldon Glashow、Abdus Salam和Stephen Weinberg创造，结合了SU(2)xU(1)和当时鲜为人知的希格斯机制，产生了一种守恒“弱超荷”的理论，并解释了弱相互作用和光子（电磁学）。这个理论以其广阔的范围和强大的力量而著称，它预测了两种重“弱矢量玻色子”的存在，它们是传递弱核力的粒子：W玻色子和Z玻色子。弱核力之所以弱且射程短，是因为W玻色子和Z玻色子非常重：分别为80和91 GeV，质量约为质子质量的两个数量级。然后，1983年，在质子和反质子碰撞的碎片中，在欧洲核子研究组织发现了W和Z玻色子。Weinberg/Salam/Glashow组合因其工作于1979年获得了诺贝尔奖，而Carlo Rubbia和Simon van der Meer则因其发现（以及欧洲核子研究组织UA1和UA2实验上的数百名同事）于次年，即1984年获得了诺贝尔奖。一个新领域，高能强子对撞机物理学，被牢固地确立了。对希格斯玻色子的追寻开始了！因此，我们终于来到了希格斯玻色子。电弱理论设想了一个弥漫在所有时空中的“希格斯场”。你只需将其粘贴到“拉格朗日量”中，这个方程告诉我们所有可能的波函数在我们认为必须遵守的U(1)、SU(2)和SU(3)对称性存在下的行为。希格斯场具有一定的势能形式，这导致SU(2)对称性在低能量（即我们的世界）下被破缺，并且不完美地遵守。如果你写出完整的电弱拉格朗日量，你就会得到这个（糟糕，少了一个括号……你能找到吗？）：
标准模型并不漂亮，但它确实有效。正如我们之前所说，它只是一个模型。希格斯场存在吗？好吧，如果它存在，并且如果它以我们认为的方式被破缺，那么就存在无质量的光子，也存在有质量的W玻色子和Z玻色子。既然它们确实存在，并且其行为方式与预测的完全一致，那么我们难道不能得出希格斯也必须存在的结论吗？如果是这样，我们应该尝试找到它，正如我在《宇宙变数》中多次说过的，我一直在寻找它大约二十年，但还没有成功。我或我在此次探索中的数百名同事应该感到气馁吗？不，因为如果它确实存在，我们并不认为我们应该已经能够看到它了。为什么不行？基本原因是，我们所有最好的数据表明它的质量应该在120 GeV左右，上下浮动，而且希格斯玻色子与物质的相互作用非常微弱。因此，制造大量希格斯玻色子很困难。尽管如此，在LEP 1和LEP 2加速器上，我们有机会生产和探测希格斯玻色子，因为除了与我们的物质粒子（夸克和轻子）相互作用外，希格斯还与W玻色子和Z玻色子相互作用。在LEP加速器上，电子和正电子以非常高的能量碰撞，其能量相当于LEP 1的Z玻色子质量，在LEP 2时甚至超过两倍。当你产生一个Z玻色子时，它偶尔会给你一个希格斯玻色子和一个几乎立即衰变的“虚”Z玻色子。LEP实验在20世纪90年代都拼命地寻找希格斯，但最终没有发现质量低于114.4 GeV的希格斯玻色子的证据。这是一个重大的成就，如果希格斯玻色子确实存在且质量低于此值，我确信LEP会找到它。在最后有一些诱人的碰撞事件，但不足以说“就是它了”。与此同时，我们提炼了我们对标准模型的了解，并在1995年在Tevatron发现了顶夸克。这是解开希格斯玻色子之谜的一个重要关键，因为如果我们知道顶夸克、W玻色子的质量，以及Z玻色子在生产和衰变中的行为，就可以粗略地计算出希格斯玻色子的质量。我们得到的答案是，希格斯玻色子的质量可能低于我们设定的极限！我说可能，是因为这个计算中的不确定性允许希格斯玻色子的质量可能大于当前极限，比如120 GeV，而不会对其他现有测量值造成太大麻烦。最后，标准模型的希格斯玻色子可能超出了LEP加速器的范围，LEP加速器已于2000年底退役，为大型强子对撞机（LHC）让路，LHC设在欧洲核子研究组织，如果一切顺利，将于明年开始运行。与此同时，费米实验室的Tevatron质子-反质子对撞机有机会在LHC启动之前观测到希格斯玻色子。Tevatron于1985年投入运行，并自那时以来一直是世界上能量最高的质子-反质子对撞机。在20世纪90年代初，曾计划在德克萨斯州建造巨大的SSC（超导超高能对撞机），计划于1999年左右投入运行。地下挖出了数英里长的隧道，SSC实验室初具规模，但到1993年末，由于成本估算不断膨胀，美国国会取消了该项目的资助。SSC的取消意味着下一个大型加速器将是欧洲核子研究组织的LHC，但它需要十多年的时间才能完成。这意味着到20世纪90年代中期，寻找希格斯粒子的唯一地方是Tevatron。CDF和D0实验已准备就绪，在发现了顶夸克后士气大振，并渴望加入LEP正在进行的希格斯粒子搜寻。然而，正如我们上面提到的，希格斯与夸克、轻子以及W和Z玻色子的相互作用相当微弱。它与费米子（如夸克和轻子）的“耦合”实际上与其质量成正比，因此希格斯玻色子偏爱质量最大的：顶夸克、底夸克、陶轻子和粲夸克。如果你产生一个希格斯玻色子，它会衰变成它能衰变的质量最大的夸克或轻子对（例如底夸克和反底夸克）。然而，如果它能衰变成W或Z玻色子对，它会优先这样做。希格斯玻色子在Tevatron中的产生方式与在LEP中类似。在Tevatron中，质子中的夸克与反质子中的反夸克碰撞，产生虚W或Z玻色子，这些虚玻色子反过来又会产生一个真实的W或Z玻色子加上一个希格斯玻色子。我们称之为VH过程，因为W和Z是矢量玻色子（意味着它们的自旋为1）。然而，在Tevatron中，挑战在于获得足够高的质子-反质子碰撞率来产生希格斯，因此整个费米实验室在20世纪90年代末进行了大规模升级，增加了一个新的主注入器以获得更多的束流进入Tevatron，并对机器的其他部分进行了许多改进。到2001年，新的数据开始涌入，搜寻工作 resumed，一年前在LEP结束。Tevatron的亮度（每秒碰撞次数）稳步增长，直到机器在过去几年中进入了最佳状态。如果希格斯玻色子存在，那么我们应该能够产生数千个希格斯玻色子事件。但在Tevatron中，人们也产生数十亿个非希格斯事件！这使得Tevatron拥有一个非常困难、几乎压倒性的“背景”事件，这些事件看起来就像希格斯事件，但实际上不是。此外，探测器对于希格斯衰变产物的能量分辨率并不完美，因此很难在希格斯质量处获得一个清晰的尖峰。尽管如此，许多非常有才华的人正在努力分析我们收集到的数据，并进行标准模型希格斯玻色子的搜寻。我自1993年以来一直在CDF实验工作，并自己做了很多这项工作……这极具挑战性，需要几十个人的协作才能成功。Tevatron实验正在逐步接近能够扩展LEP设定的极限（如果希格斯不存在），也许，仅仅是也许，在LHC启动并收集足够的数据来完成这项任务之前，就能瞥见希格斯。Tevatron能做到吗？我上面说“也许”，这总是正确的说法，因为这是事实。我个人打赌，如果有现在四倍的数据样本，再加上新的想法和方法，我们一定能扩展LEP的极限，如果希格斯玻色子的质量小于约125 GeV，或者（奇怪地）接近160 GeV（它主要衰变成WW）的话，我们就能瞥见它。Tevatron能获得四倍的数据吗？是的，如果一切顺利，Tevatron将运行到2010年。会不会太晚？也许……LHC可能在2008年启动，但可能不会产生足够的碰撞来看到SM希格斯。2009年呢？LHC可能在2009年首次发现希格斯粒子，前提是探测器得到充分理解，LHC机器运行良好，并且希格斯玻色子的质量适中，约为120 GeV。如果希格斯玻色子的质量更大，其ZZ衰变变得显著，那么它可能更早发生，但如上所述，标准模型希格斯玻色子的理论上优选质量并不比当前极限114.4 GeV大多少。Tevatron是否应该在2010年运行？社区和政府已经开始讨论这个问题。据我所闻，2010年运行该机器的成本约为3000万美元，需要加速器人员和实验人员来操作探测器和分析数据。考虑到美国和世界各国在这个运行良好且高效的实验上所做的巨大投资，这笔钱很划算。有充分的物理学理由这样做。如果LHC确实看到了SM希格斯信号，一开始将是一种非常罕见的衰变模式：衰变成一对伽马射线。这种独特的信号发生在每500次希格斯玻色子衰变中有一次，一旦分析完大约一年的碰撞数据，就会在ATLAS和CMS探测器中产生一个清晰的希格斯质量峰值。相比之下，Tevatron会通过衰变成b夸克对来看到希格斯玻色子；由于巨大的背景，LHC将在几年内无法做到这一点。看到*这两种*衰变模式是检验我们看到的究竟是否是希格斯玻色子的重要测试，也是对其质量和其他参数的良好交叉检查。Tevatron还可以继续提炼顶夸克质量和W玻色子质量的知识，这样当我们观测到希格斯玻色子时，就可以检验其质量是否与理论一致——这是另一个重要的测试。也许更重要的是，我们寻找的可能根本不是标准模型希格斯玻色子。有非常充分的理由相信，从理论上讲，标准模型希格斯不可能是唯一有待发现的基本粒子。从理论上讲，对其质量的计算会因任何新的重费米子的存在而产生急剧增加的修正，事实上，希格斯从*自身*接收到的质量修正是不稳定的，需要以某种方式进行精细调整以抵消许多数量级的误差。如理论家所说，期望自然会这样做是“不自然的”。几十年来，人们一直在寻求并找到了解决这个问题的方案。如果宇宙遵守一种称为“超对称性”的对称性，该对称性将玻色子（整数自旋粒子）与费米子（半整数自旋粒子）联系起来，那么我们所知的每种粒子都必须存在一个超对称的伙伴。超对称性显然不完美；如果存在，它必须被破缺，否则我们就会知道所有超对称粒子，它们的质量将与其普通粒子伙伴相同。这些粒子的存在以一种巧妙的方式抵消了希格斯质量的不稳定性，极大地减轻了情况的不自然性。代价是为理论增加了许多新的粒子和参数……奥卡姆可能不会感到满意。而且，尽管我们搜寻超对称性几十年了，但我们没有发现任何超对称粒子的证据……尽管如此，一些理论家确信它必须存在，我们也继续搜寻。如果超对称性存在，希格斯玻色子就变得更有趣了。并非只有一个，而是至少有两个希格斯场弥漫在时空中，一个赋予上型夸克质量，另一个赋予下型夸克和轻子质量。将有不止一个，而是至少三个中性希格斯玻色子态可供寻找，外加一个带电希格斯玻色子。最轻的中性希格斯玻色子可能具有与标准模型希格斯玻色子非常相似的性质，因此如果我们确实看到了类标准模型希格斯玻色子，我们需要仔细测量它，以判断它是否来自超对称性。更好的是，如果超对称性存在，那么它预测的希格斯玻色子产生的速率将大大高于标准模型希格斯玻色子。这意味着Tevatron和LHC可以更快地产生更重的希格斯玻色子。对于Tevatron来说，这可能是它在LHC启动前发现希格斯玻色子并获得超对称性证据的方式。这是我之前在CV上的“碰撞搜寻”系列文章的主题，最新结果是，没有证据表明以增强的速率产生了超对称希格斯玻色子。这个零结果使我们能够排除一些可能的超对称参数区域。然而，超对称性有许多变体，具有甚至更复杂的希格斯玻色子家族。公平地说，我们没有寻找所有这些，更公平地说，我们也没有在理论上探索所有可能的超对称希格斯现象。也可能不存在标准模型希格斯玻色子或超对称希格斯玻色子。最近（以及不久前）提出了许多理论，这些理论将电弱对称性破缺解释为某种新力的副产品，这种力比强核力更强，这种力在很高的能量尺度下起作用，可能甚至包含新粒子。其他理论提出通过添加最少数量的新粒子和/或额外的空间维度来解决自然性问题。通常仍然会得到一个希格斯或类希格斯玻色子，但质量可能比我们迄今为止所能探测到的要高。总之，如果你能坚持读到这里，你可能会觉得我们真的不知道我们在找什么！这在某种程度上是正确的。保持头脑开放，接受新想法，并准备好寻找它们带来的尚未被设想到的预测，这是很重要的。我们也在努力做到这一点……但是……很难看到希格斯玻色子质量的间接测定与在希格斯场概念背景下测量的顶夸克质量和W玻色子质量预测之间的优美一致性，并认为这仅仅是巧合，是某个完全不同的东西的随机近似。我个人的感觉是，很有可能在几年内，在LHC和/或LHC，我们会看到类似希格斯玻色子的东西，很可能质量在120 GeV左右。如果我们没有看到质量小于约130 GeV的希格斯玻色子（SM型或超对称型），情况将变得非常有趣——几乎可以肯定那时将有其他模型是正确的解释。那也会很惊人，并且可能很难在LHC上解开，因为背景率如此之高。整篇文章几乎没有触及希格斯玻色子搜寻和电弱对称性破缺解释的现状。我将把更大的问题留给未来的帖子：如果我们确实发现了希格斯玻色子，它有什么用呢？正如J.J. Thomson 110年前对他的伟大发现——电子——提出的疑问一样？
