你知道吗?我们身边的一切物质,无论是空气、水、土壤,还是我们自己的身体,都是由一些非常微小的粒子组成的。这些粒子有不同的种类,比如电子、质子、中子等,它们之间通过一些基本的力来相互作用,比如电磁力、强相互作用力、弱相互作用力等。这些粒子和力构成了我们所知的物理世界的基本框架,也就是所谓的标准模型。
但是,标准模型并不完美,它还有一些无法解释的问题。比如,为什么这些粒子有不同的质量?为什么有些粒子很重,有些粒子很轻,甚至有些粒子没有质量?这些质量是从哪里来的?为了回答这些问题,物理学家提出了一个假设:存在着一种无处不在的场,叫做希格斯场。这个场就像一个看不见的海洋,充满了整个宇宙。当其他粒子在这个场中运动时,就会受到阻力,就像在水中游泳一样。这个阻力就相当于质量。不同的粒子受到的阻力不同,所以有不同的质量。没有质量的粒子就是没有受到阻力的粒子,它们可以在希格斯场中自由穿梭。
那么,希格斯场是怎么产生的呢?根据量子理论,任何一个场都对应着一种粒子,叫做场的量子。比如,电磁场对应着光子,强相互作用场对应着胶子,弱相互作用场对应着W和Z玻色子。那么,希格斯场对应着什么粒子呢?物理学家给它起了一个名字:希格斯玻色子。这个粒子就是希格斯场的量子,也是赋予其他粒子质量的源头。
但是,希格斯玻色子并不容易被发现。它非常重,需要很高的能量才能产生。而且它非常不稳定,一旦产生就会立刻衰变成其他粒子。物理学家需要用巨大的加速器来制造高能量的碰撞,并用复杂的探测器来捕捉衰变产物,并从中寻找希格斯玻色子的踪迹。经过几十年的努力,在2012年7月4日,欧洲核子研究中心(CERN)和美国费米国家加速器实验室(Fermilab)同时宣布,在他们各自运行的大型强子对撞机(LHC)和提夫隆对撞机(Tevatron)上发现了希格斯玻色子的存在。这个发现被誉为21世纪最重要的物理学突破之一。
但是,发现希格斯玻色子并不意味着探索就结束了。物理学家还需要进一步验证这个粒子是否符合标准模型的预测,并探索它是否有超出标准模型的新物理现象。为此,他们需要测量希格斯玻色子的各种性质,比如衰变方式、衰变速率、自旋等。其中最重要的一个性质就是衰变分支比(branching ratio),也就是希格斯玻色子衰变成不同种类粒子的概率。根据标准模型的计算,在LHC上产生的希格斯玻色子大约有57%会衰变成两个b夸克(b quark),22%会衰变成两个W玻色子(W boson),6.3%会衰变成两个Z玻色子(Z boson),6.2%会衰变成两个胶团(gluon),2.8%会衰变成两个γ光子(gamma photon),0.23%会衰变成两个τ轻子(tau lepton),0.022%会衰变成两个μ轻子(muon lepton),0.0026%会衰变成两个电轻子(electron lepton),以及一些其他更罕见的衰变方式。
物理学家已经在LHC上观测到了希格斯玻色子衰变成b夸克、W玻色子、Z玻色子、γ光子、τ轻子等方式,并且测量出了它们的衰变分支比,发现它们基本上和标准模型的预测一致。但是,还有一些衰变方式没有被观测到,比如希格斯玻色子衰变成两个轻子(电子或μ子)。这是一个非常罕见的过程,只有每1000次衰变中才会发生一次。这个过程对于验证标准模型非常重要,因为它可以检验希格斯玻色子和轻子之间的耦合强度,也就是它们相互作用的强度。如果这个耦合强度和标准模型的预测不一致,那么就意味着存在着新的物理现象,比如超对称理论、额外维度等。
为了寻找希格斯玻色子衰变成两个轻子的迹象,物理学家需要分析LHC上产生的大量碰撞数据,并从中筛选出可能含有希格斯玻色子信号的事件。这是一个非常困难的任务,因为这种信号非常微弱,而且会被其他背景噪声所淹没。物理学家需要用各种复杂的技术来提高信噪比,并用统计方法来评估信号的显著性。经过多年的努力,在2021年8月4日,CERN宣布,在LHC上运行的两个实验ATLAS和CMS都发现了希格斯玻色子衰变成两个μ轻子的首个迹象,并且测量出了它们的衰变分支比,发现它们和标准模型的预测相符。这是一个令人兴奋的发现,也是对标准模型的一个重要验证。
但是,这并不意味着探索就结束了。物理学家还需要进一步提高数据的精度,并寻找希格斯玻色子衰变成两个电轻子的信号,以及其他更罕见的衰变方式。他们还需要探索希格斯玻色子是否有其他性质,比如是否存在自相互作用、是否有暗物质候选者等。为此,他们需要用更高能量和更高亮度的加速器来产生更多的希格斯玻色子,并用更先进的探测器来捕捉更细微的信号。他们希望能够在希格斯玻色子中发现新物理的线索,从而揭开宇宙更深层次的奥秘。