为何希格斯理论使多人获奖，希格斯玻色子如此难找，看此文就懂了导读：本章摘自独立学者灵遁者量子力

傻大方提示您本文标题是：《为何希格斯理论使多人获奖，希格斯玻色子如此难找，看此文就懂了》。来源是灵遁者国学智慧。

为何希格斯理论使多人获奖，希格斯玻色子如此难找，看此文就懂了。理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---

导读：本章摘自独立学者灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》。此文旨在帮助大家认识我们身处的世界。世界是确定的，但世界的确定性不是我们能把我的。为何希格斯理论使多人获奖，希格斯玻色子如此难找，看此文就懂了。看看那些数据，看看相过程，看看检验标准。人类能做到这一步，积累了多少年？就积累和发展这么多年，能发现，也还有“运气”的成分。各位，你我活着，看到这些事情，作为人类的一份子，也可以自豪了。所以中国必须建造自己的高能粒子加速器，谁说这是鸡肋的东西，谁就不懂这东西的重要性。跟大家这样说，这东西，就是新时代“原子弹”。你没有，你肯定就落后！

理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---傻大方小编总结的关键词

按照希格斯机制，复值希格斯场（两个自由度）与零质量规范玻色子（横场，如同光子一样，具有两个自由度）被变换为带质量标量粒子（希子，一个自由度）与带质量规范玻色子（戈德斯通玻色子变换为一个纵场，加上先前的横场，共有三个自由度），自由度守恒。

费米子也是因为与希格斯场相互作用而获得质量，但它们获得质量的方式不同于W玻色子、Z玻色子的方式。在规范场论里，为了满足定域规范不变性，必须设定费米子的质量为零。通过汤川耦合，费米子也可以因为自发对称性破缺而获得质量。

稍微复杂一点，但更实际一点，在最小标准模型（minimal standard model）里，希格斯场是复值二重态，是由两个复值标量场，或四个实值标量场组成，其中，两个带有电荷，两个是中性。在这模型里，还有四个零质量规范玻色子，都是横场，如同光子一样，具有两个自由度。总合起来，一共有十二个自由度。

灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》电子版在灵遁者淘宝有。

理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---傻大方小编总结的关键词

自发对称性破缺之后，一共有三个规范玻色子会获得质量、同时各自添加一个纵场，总共有九个自由度，另外还有一个具有两个自由度的零质量规范玻色子，剩下的一个自由度是带质量的希子。三个带质量规范玻色子分别是W+、W-和Z玻色子。零质量规范玻色子是光子。由于希格斯场是标量场（不会因洛伦兹变换而改变），希子不具有自旋。希子不带电荷，是自己的反粒子，具有CP-偶性。

理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---傻大方小编总结的关键词

标准模型并没有预测希子的质量。假若质量在115和180 GeV之间，则能量尺度直到普朗克尺度（1019 GeV）上限，标准模型都有效。基于标准模型的一些不令人满意的性质，许多理论学者认为后标准模型的新物理会出现于TeV能量尺度。

希格斯波色子（或其他的电弱对称性破缺机制）能够具有的质量的尺度上限是1.4 TeV；超过此上限，标准模型变得不相容，因为对于某些散射过程违反了幺正性。现今，学术界有超过一百种不同关于希格斯质量的理论预测。

理论而言，希子的质量或许可以间接估计。在标准模型里，希子会造成一些间接效应。最值得注意的是，希格斯回路会造成W玻色子质量和Z玻色子质量的小额度修正。通过整体拟合从各个对撞机获得的精密电弱数据，可以估计希子的质量为94+29

?24 GeV，或小于152 GeV，置信水平95%。

希子可能会与前面提到的标准模型粒子相互作用，但也可能会与诡秘的大质量弱相互作用粒子相互作用，形成暗物质，这在近期天文物理学研究领域里，是很重要的论题。

粒子对撞机尝试通过碰撞两束高能量粒子的方式来制备希子。实际物理反应依使用的粒子与碰撞能量而定。最常发生的反应为

在量子力学里，假若粒子有可能衰变成一组质量较轻的粒子，则这粒子必会如此衰变。衰变发生的概率与几种因素有关：质量差值、耦合强度等等。标准模型已将大多数这些因素设定，希子质量是一个例外。假设希子质量为126 GeV，则标准模型预测平均寿命（mean lifetime）大约为1.6×10?22 秒。

理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---傻大方小编总结的关键词

由于希子会与每一种“已知”带质量基本粒子相互作用，希子有很多种不同的衰变道。每种衰变道都有其发生的概率，称为分支比，定义为这种衰变道发生的次数除以总次数。右图展示出，标准模型预测的几种不同衰变模式的分支比与质量之间的关系。

在这几种希子衰变道之中，有一种衰变道是分裂为费米子反费米子对。对于希子衰变，产物质量越大，则耦合强度越大（呈线性或平方关系）。

因此，希子比较可能衰变为较重的费米子，希子应该最常衰变为顶夸克反顶夸克对。但是，这种衰变必须遵守运动学约束，即希子质量必须大于346 GeV，顶夸克质量的两倍。假设希子质量为126 GeV，则标准模型预测最常发生的衰变为底夸克反底夸克对，概率为56.1%。第二常发生的衰变是τ子反τ子对，概率为6%。

理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---傻大方小编总结的关键词

希子也有可能分裂为一对带质量规范玻色子。对于这模式，希子最有可能衰变为一对W玻色子，假设希子质量为126 GeV，则概率为23.1%。在这之后，W玻色子可以衰变为夸克与反夸克，或者，衰变为轻子与中微子。这最后一种模式不能被重建，因为无法探测到中微子。希子衰变为一对Z玻色子会给出较干净的讯号，若果Z玻色子会继续衰变为易探测的带电荷轻子反轻子对（电子或μ子）。假设希子质量为126 GeV，则概率为2.9%。

希子还可能衰变为零质量胶子，但是中间需要经过夸克圈。[57]对于这模式，最常会经过顶夸克圈，因为顶夸克最重，也因为如此，虽然这是个单圈图（one-loop diagram），而不是树图（tree-level diagram），它发生的衰变概率仍旧可观，不容忽略。假设希子质量为126 GeV，则概率为8.5%。

比较稀有的是希子衰变为零质量光子，概率为0.2%，这过程中间需要经过费米子圈或Ｗ玻色子圈。由于光子的能量与动量可以非常准确地测量，衰变粒子的质量可以准确重建出来。所以，在探索低质量希子的实验中，这过程非常重要。

所有应用希格斯机制来解释质量问题的模型中，最小标准模型只设定了一个复值二重态希格斯场，是最简单的标准模型。其它模型的希格斯场可能会被延伸成具有更多二重态或三重态。双希格斯二重态模型设定了两个复值二重态希格斯场，是在所有其它种模型中比较受到认可的模型，主要原因为:

1. 在所有其它种模型中，它是最小、最简单的模型。

为何希格斯理论使多人获奖，希格斯玻色子如此难找，看此文就懂了。理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---

2. 它能够添加更多物理现象，例如，带电荷的希子。

为何希格斯理论使多人获奖，希格斯玻色子如此难找，看此文就懂了。理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---

3. 它遵守标准模型的主要理论约束。

为何希格斯理论使多人获奖，希格斯玻色子如此难找，看此文就懂了。理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---

4. 低能量超对称模型必须具有这种结构。

为何希格斯理论使多人获奖，希格斯玻色子如此难找，看此文就懂了。理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---

为了要制成希子，在粒子对撞机里，两道粒子束被加速到非常高能量，然后在粒子探测器里相互碰撞，有时候，异乎寻常地，会因此生成产物希子。但是希子会在生成后会在非常短暂时间内发生衰变，无法直接被探测到，探测器只能记录其所有衰变产物（“衰变特征”），从这些实验数据，重建衰变过程，假若符合希子的某种衰变道，则归类为希子可能被生成事件。

实际而言，很多种过程都会出现类似的衰变特征。很庆幸地是，标准模型精确地预言所有可能衰变模式与对应的或然率，假若探测到更多能够匹配希子衰变特征的事件，而不是更多不同于希子衰变特征的事件，则这应该是希子存在的强烈证据。

理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---傻大方小编总结的关键词

低能量实验设施可能无法找到希子，必须建造一座高能量粒子对撞机，这对撞机还需要具有高亮度来确保搜集到足够的碰撞数据。另外，还需要高功能电脑设施来有序处理大量碰撞数据（大约25petabyte每年）。至2012年为止，它的附属电脑设施，全球大型强子对撞机计算网格（Worldwide LHC Computing Grid）已处理了超过三百万亿（3×1014）个碰撞事件。这是全球最大的计算网格，隶属于它的170个电算设施，散布在36国家，是以分布式计算的模式连结在一起。

最早大规模搜寻希子的实验设施是欧洲核子研究组织的大型正负电子对撞机，它在1990年代开始运作，直到2000年为止，但它并没有找到希子的确切存在证据，这是因为它的专长是精密测量粒子的性质。

根据大型正负电子对撞机所收集到的数据，标准模型希子的质量下限被设定为114.4 GeV，置信水平95%。这意味着假若希子存在，则它应该会重于114.4 GeV/c2。

理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---傻大方小编总结的关键词

费米实验室的兆电子伏特加速器继承了先前搜寻希子的任务。1995年，它发现了顶夸克。为了搜寻希子，设施的功能被大大提升，但这并不能保证兆电子伏特加速器会发现希子。在那时期，它是唯一正在运作中的超级对撞机，大型强子对撞机正在建造，超导超大型加速器计划已于1993年取消。历经多年运作，兆电子伏特加速器只能对于更进一步排除希子质量值域做出贡献，由于能量与亮度无法与建成的大型强子对撞机竞争，于2011年9月30日除役。

从分析获得的实验数据，兆电子伏特加速器团队排除希子的质量在100-103 GeV、147-180 GeV以内，置信水平95%。在能量115–140 GeV之间区域，超额事件的统计显著性为2.5个标准差，这对应于在550次事件中，有一次事件是归咎于统计涨落。这结果仍旧未能达到5个标准差，因此不能够作定论。

欧洲核子研究组织的大型强子对撞机（LHC）的设计目标之一为能够确认或排除希子的存在。在瑞士日内瓦附近乡村的地底下，圆周为27 km的坑道里，两个质子束相撞在一起，最初以3.5 TeV每质子束（总共7 TeV），大约为兆电子伏特加速器的3.6倍，未来还可提升至2 × 7 TeV（总共14 TeV）。根据标准模型，假若希子存在，则这么高能量的碰撞应该能够将它揭露出来。

理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---傻大方小编总结的关键词

这是史上最复杂的科学设施之一。在开启测试后仅仅九天，由于磁铁与磁铁之间电接连缺陷，发生磁体失超事件，造成50多个超导磁铁被毁坏、真空系统被污染，整个运作被迫延迟了14个月，直到2009年11月才再度重新运作。

2010年3月，LHC开始紧锣密鼓地进行数据搜集与分析。2011年12月，LHC的两个主要粒子探测器，超环面仪器（ATLAS）和紧凑μ子线圈（CMS）的实验团队，已将希子的可能质量值域缩小至115-130 GeV（ATLAS）与117-127 GeV （CMS）。另外，ATLAS在质量范围125-126 GeV探测到超额事件，统计显著性为3.6个标准差，CMS在质量范围124 GeV探测到超额事件，统计显著性为2.6个标准差。

由于统计显著性并不够大，尚无法做结论或甚至正式当作一个观察事件。但是，两个探测器都独立地在同样质量附近检测出超额事件，这事实使得粒子物理社团极其振奋，期望能够在检验完毕2012年的碰撞数据之后，于明年年底排除或确认标准模型希子的存在。CMS团队发言人吉多?桐迺立（Guido Tonelli）表示：“统计显著性不够大，无法做定论。直到今天为止，我们所看到的与背景涨落或与玻色子存在相符合。更仔细的分析与这精心打造的巨环在2012年所贡献出的更多数据必定会给出一个答案。”

理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---傻大方小编总结的关键词

2012年6月22日，欧洲核子研究组织发表声明，将要召开专题讨论会与新闻发布会，报告关于寻找希子的最新研究结果。不消一刻，谣言传遍了新闻媒体，采访人员们与一些物理学者纷纷猜测欧洲核子研究组织是否会正式宣布证实希子存在。

7月4日，欧洲核子研究组织举行专题讨论会与新闻发布会宣布，紧凑μ子线圈发现质量为125.3±0.6 GeV的新玻色子，标准差为4.9；超环面仪器发现质量为126.5GeV的新玻色子标准差为4.6。

物理学者认为这两个粒子可能就是希子。欧洲核子研究组织的所长说：“从一个外行人的角度来说，我们已经发现希子了；但从一个内行人的角度来说，我们还需要更多的数据。”

理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---傻大方小编总结的关键词

一旦将其它种类的紧凑μ子线圈相互作用纳入计算，这两个实验达到局部统计显著性5个标准差──错误概率低于百万分之一。在新闻发布之前很长一段时间，两个团队彼此之间不能互通讯息，这样才能确保每一个团队得到的结果不会受到另一个团队的影响而发生任何偏差，这也可以让两个团队各自独立得到的研究结果可以彼此相互核对。

如此规格的证据，通过两个被隔离团队与实验的独立确定，已达到确定发现所需要的正式标准。欧洲核子研究组织的治学态度非常严谨，不愿意引人非议；欧洲核子研究组织表明，新发现的粒子与希子相符，但是物理学者尚未明确地认定这粒子就是希子，仍旧需要更进一步搜集与分析数据才能够做定论。

换句话说，从实验观测显示，新发现的玻色子可能是希子，很多物理学者都认为非常可能是希子，现在已经证实有一个新粒子存在，但仍旧需要更进一步研究这粒子，必需排除这粒子或许不是希子的任何可疑之处。

7月31日，欧洲核子研究组织的紧凑μ子线圈小组和超环面仪器小组分别提交了新的探测结果的论文，将这种疑似希子的粒子的质量确定为紧凑μ子线圈的125.3 GeV（统计误差：±0.4、系统误差：±0.5、统计显著性：5.8个标准差）和超环面仪器的126.0 GeV（统计误差：±0.4、系统误差：±0.4、统计显著性：5.9个标准差）。

2013年3月14日，欧洲核子研究组织发布新闻稿表示，先前探测到的新粒子是希子。

2013年3月14日，欧洲核子研究组织公开确认：

"紧凑μ子线圈小组与超环面仪器小组已对这粒子所拥有的自旋、宇称可能会产生的状况仔细分析比较，这些都指向零自旋与偶宇称（符合标准模型的两个对于希子的基要判据）。这事实，再加上测量到的新粒子与其它粒子彼此之间的相互作用，强烈显示这就是希子。

这也是第一个被发现的基本标量粒子。以下列出几个检试这125GeV粒子是否为希子的实验项目：

· 零自旋：这可以从检验衰变模式证实。在初始发现之时，观察到125GeV粒子衰变为两个光子，根据对称性定律，可以排除自旋为1，剩下两个候选自旋为0或2。这决定于衰变产物的运动轨道是否有嗜好方向，假若没有，则自旋为0，否则，自旋为2。2013年3月，125GeV粒子的自旋正式确认为0。

为何希格斯理论使多人获奖，希格斯玻色子如此难找，看此文就懂了。理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---

· 偶宇称（正宇称）：从研究衰变产物运动轨道的角度，可以查得到底是偶宇称还是奇宇称。有些理论主张，可能存在有

为何希格斯理论使多人获奖，希格斯玻色子如此难找，看此文就懂了。理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---

膺标量

为何希格斯理论使多人获奖，希格斯玻色子如此难找，看此文就懂了。理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---

（pseudoscalar ）希子，这种粒子拥有奇宇称。2013年3月，125GeV粒子的宇称暂时确认为正宇称。排除零自旋奇宇称假说，置信水平超过99.9%。

为何希格斯理论使多人获奖，希格斯玻色子如此难找，看此文就懂了。理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---

理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---傻大方小编总结的关键词

· 衰变道：标准模型已对希子的衰变模式给出详细预测。LHC已于2013年观察到双光子道等，证实希格斯场可以与玻色子相互作用。LHC又于2014年观察到其它两种模式，证实希格斯场可以与费米子相互作用。这意味着希子不只是衰变至传递作用力的玻色子，它还衰变至组成物质的费米子。

这就是整个希格斯玻色子被发现的过程和理论。美国物理学家、1988年诺贝尔物理学奖获得者利昂·莱德曼曾著有粒子物理方面的科普书籍《上帝粒子：如果宇宙是答案，那么问题是什么？》，后来媒体也沿用了这一称呼，常常将希子称作是“上帝粒子”（The God Particle）。

早在100年前，开尔文爵士就说物理没有什么可以研究的了，在物理学的上空只剩下两朵乌云了。分别是迈克尔逊莫雷实验和黑体辐射与"紫外灾难"。

理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---傻大方小编总结的关键词

一直到今天，希格斯玻色子被发现，走了近100年，我们才发现，物理学大门还没有完全打开。

希格斯粒子被发现，足以证明人类是多么了不起的生灵。但大家通过上面的内容，已经知道了，关于希格斯机制，关于强，弱，电三种力统一的根本性问题，我们还不知道。还有引力也还孤立在这个规范场论之外。

所以引力波和希格斯玻色子的发现，绝对称的上是划时代的发现。对于我们探索宇宙的本质有极大的帮助。

希格斯玻色子对于标准模型是如此的重要的原因是它的存在证明了希格斯力场(一个散布在宇宙中的隐形力场，以其质量影响其他物质)的存在。

它是物理学基本粒子“标准模型”理论中最后一种未被发现的基本粒子，其自旋为零，其他粒子在希格斯玻色子作用下产生质量，为宇宙形成奠定基础。我以为这才是它为何被称为上帝粒子的原因！

理论|获奖|玻色子|标准模型|自由度|希格斯---傻大方小编总结的关键词

而涉及到质量，我们必然会考虑引力。也就是希格斯场与引力已经有什么关系。非常值得思考和期待。

用屈原的话，来结束本章的介绍：“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。”

摘自独立学者灵遁者量子力学书籍《见微知著》

交流互动：lingdunzhe。