如何在对撞机中“看到”希格斯玻色子

希格斯玻色子的理论预测可以追溯到1964年，当时有三个独立的团队提出了一种机制，可以解释为什么一些基本粒子具有质量，这种机制被称为希格斯机制。但是，要验证希格斯机制是否正确，就需要观察到希格斯场的量子化表现，即希格斯玻色子。然而，由于希格斯玻色子非常不稳定，很难直接观测到。物理学家们只能通过高能粒子对撞机来产生希格斯玻色子，并且通过分析其衰变产物来推断其存在和性质。这需要非常复杂和精密的实验设备和数据处理技术。

寻找希格斯玻色子是物理学家们长期以来的梦想和挑战。在过去几十年里，人们利用不同的粒子对撞机进行了多次尝试，但都没有成功。直到2012年，在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上，两个主要的探测器实验组（CMS和ATLAS）宣布了一个历史性的发现：他们探测到了一个新粒子，其质量约为125-126 GeV，并且具有希格斯玻色子的预期特征。这一发现被认为是物理学最重大的突破之一，为标准模型提供了强有力的支持，也为探索新物理开启了新的可能性。

那么，这个新粒子是如何被发现的呢？首先，我们需要知道希格斯玻色子的产生和衰变方式。在大型强子对撞机中，两束高速运动的质子对撞在一起，产生极高的能量和温度。在这些对撞事件中，有很小的概率会产生希格斯玻色子。但是，希格斯玻色子非常不稳定，它会在很短的时间内衰变成其他粒子。根据标准模型的理论预测，希格斯玻色子有多种可能的衰变模式，其中最常见的几种是：

• 希格斯玻色子衰变成两个光子
• 希格斯玻色子衰变成两个W玻色子
• 希格斯玻色子衰变成两个Z玻色子
• 希格斯玻色子衰变成两个底夸克
• 希格斯玻色子衰变成两个τ轻子

每种衰变模式都有一个特定的分支比（branching ratio），表示该模式发生的概率。例如，希格斯玻色子衰变成两个光子的分支比约为0.2%，而衰变成两个W玻色子的分支比约为21%。

不同的衰变模式有不同的优缺点。例如，一些衰变模式比较容易被探测器识别，因为它们产生的粒子是干净和明显的信号。例如，光子和轻子都是不受强相互作用影响的粒子，它们可以直接到达探测器，并且留下清晰的径迹。另一方面，有一些模式它发生的概率会比较高。

因此，在寻找希格斯玻色子时，物理学家们需要综合考虑不同衰变模式的分支比、信噪比、背景抑制等因素，以选择最合适和最敏感的分析通道。在2012年的发现中，CMS和ATLAS实验组主要利用了以下四种分析通道：

• 希格斯玻色子衰变成两个光子（H→γγ）
• 希格斯玻色子衰变成四个轻子（H→ZZ→4l）
• 希格斯玻色子衰变成两个W玻色子（H→WW）
• 希格斯玻色子衰变成两个底夸克（H→bb）

这四种分析通道都有各自的优势和难点。H→γγ通道的优势是两个光子的能量和角度可以很精确地测量，从而可以重建出希格斯玻色子的质量。而且，这个通道对希格斯玻色子的自旋和宇称也很敏感，可以用来检验希格斯玻色子是否是标量粒子。但是，这个通道的分支比很小，只有0.2%，而且背景噪声很大，主要来自于其他过程产生的两个光子。因此，这个通道需要非常高的统计显著性才能发现信号。

H→ZZ→4l通道的优势是四个轻子（电子或μ子）也可以很精确地测量，从而可以重建出希格斯玻色子的质量。而且，这个通道的背景噪声很小，因此这个通道也可以提供非常清晰和显著的信号。但是，这个通道的分支比也很小，只有0.01%，而且需要四个轻子都能被探测器有效地识别和重建。

H→WW通道的优势是分支比较大，约为21%，而且W玻色子可以衰变成轻子或喷射，从而提供不同的衰变模式。但是，这个通道的难点是W玻色子衰变成轻子时会伴随着一个中微子，中微子是一种不带电荷、不参与强相互作用、质量极小的粒子，它几乎不与探测器发生相互作用，因此无法直接测量。中微子只能通过缺失能量来推断其存在和性质。但是，缺失能量也可能来自于其他来源，如仪器效应、喷射误差等。因此，这个通道需要非常复杂和精细的数据分析方法才能提取出信号。

H→bb通道的优势是分支比最大，约为58%，而且底夸克是已知最重的夸克之一，它与希格斯场有较强的耦合强度。但是，这个通道的难点是底夸克会形成喷射，并且与其他来源的喷射混淆在一起。因此，这个通道需要非常高效和准确的喷射鉴别（jet tagging）技术才能区分出底夸克喷射和其他喷射。

在2012年7月4日之前，CMS和ATLAS实验组已经收集了上千次碰撞的数据，并且对不同的分析通道进行了统计学处理和组合。他们发现，在125-126 GeV附近有一个明显的信号超出了背景噪声水平，并且达到了5σ以上的统计显著性。5σ意味着这个信号是非常可信的，其出现的概率小于1/350万。这个信号在不同的分析通道中都有一致的表现，并且与希格斯玻色子的预期特征相符。因此，他们宣布了一个新粒子的发现，并且初步认为它是希格斯玻色子。