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希格斯玻色子

希格斯玻色子

希格斯玻色子（英语：Higgs boson）是标准模型里的一种基本粒子，有时也称为希格斯粒子，是一种玻色子，自旋为零，宇称为正值，不带电荷、色荷，极不稳定，生成后会立刻衰变。希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发，希格斯场是一种渗透空间的场，并通过与它们相互作用赋予所有基本亚原子粒子以质量。希格斯玻色子是粒子物理中最重要的一个粒子，它给了整个物质世界“质量”。有了它，科学家才能追溯电子、质子等所有这些基本粒子的质量的来源。

根据希格斯机制，基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。如果希格斯玻色子被证实存在，则希格斯场应该也存在，而希格斯机制也可被证实。1964 年，彼得·希格斯（P.W.Higgs）提出了希格斯机制，并预言了希格斯玻色子（Higgs boson）的存在，为基本粒子中质量的起源和希格斯场是否是正确提供了一个可检验的假设。

经过40多年的探索，2012年，该粒子被日内瓦的欧洲核子中心（CERN）的一个大型加速器——大型强子对撞机（LHC）证实存在。安装在大型强子对撞机上的两台大型粒子对撞探测器CMS和Atlas所获得的数据被共同用于构建希格斯玻色子的最新图景。彼得·希格斯 (Peter Higgs) 和弗朗索瓦·恩格勒特 (François Englert) 因其理论预测而荣获2013年诺贝尔物理学奖。在媒体中，希格斯玻色子有时被称为“上帝粒子”，以诺贝尔奖获得者莱昂·莱德曼（Leon Lederman）1993年出版的《上帝粒子》一书命名。

概述

标准粒子模型

在粒子物理学里，标准模型是一种被广泛接受的框架，可以描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子。除了引力以外，标准模型可以合理解释这世界中的大多数物理现象。

现行主流的粒子物理标准模型给出了十七种最小的基本粒子，分别是六种夸克、六种轻子、传递电磁相互作用的光子、传递强相互作用的胶子、传递弱相互作用的两种粒子、赋予粒子裸质量的希格斯玻色子。标准模型已经统一了强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。

希格斯玻色子

希格斯玻色子是希格斯场的场量子化激发，希格斯场是一种渗透空间的场，并通过与它们相互作用赋予所有基本次原子粒子以质量。在标准模型中，希格斯场是一个标量超速子场，并且在某些配置中必须经历对称性破坏。它由四个分量组成：两个中性分量场和两个带电分量场。带电分量和中性场之一都是戈德斯通玻色子，它们充当大质量W+、W−和Z玻色子的纵向第三极化分量。剩余中性分量的量子对应于（理论上实现为）大质量希格斯玻色子。

1960年，自发对称性破缺的概念被引入粒子物理学。假定夸克与反夸克的质量为零，则生成它们的能量成本很低，如同电子们在超导体里凝聚为库珀对，它们会在真空里凝聚为夸克对，使得强相对作用的手征对称性被打破，夸克会因此获得质量。该机制里，还会出现一种新的零质量玻色子，即π介子，由于上夸克、下夸克的质量不等于零，π介子的实际质量不等于零，只是比其他种介子的质量都轻很多。

希格斯机制

在希格斯机制中，希格斯场引起自发对称性破缺，基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发，它通过自相互作用而获得质量，假若希格斯玻色子被证实存在，则希格斯场也应该存在，从而希格斯机制也被证实。一般而言，场论中自发对称性破缺，由于所谓的戈德斯通机制，会产生无质量的标量粒子。

在希格斯机制中，希格斯场的基态等效地变为了这些物质粒子的质量参数。通俗地说，希格斯场给予了基本粒子质量。温伯格（Weinberger）与萨拉姆（Salam）的电弱统一与自发对称性破缺模型，加上描述强相互作用的量子色动力学，构成了粒子物理的标准模型。从理论基础上看，希格斯机制是电弱相互作用统一的关键一步。

研究历史

希格斯场的提出

1950年，俄罗斯物理学者维塔利·金茨堡（Vitaly Ginzburg）与列夫·达维多维奇·朗道（Lev Landau）提出金兹堡-朗道理论，在该理论中他们提出，在超导体里可能存在一种特别的场，能够使得光子获得有效质量，但他们没有描述这种场的具体信息。

1954年，杨振宁与罗伯特·米尔斯（Robert）共同提出了杨-米尔斯理论，但是规范场论预测规范玻色子的质量必须为零，而零质量玻色子传递的是类似电磁力的长程力，不适用于像弱核力或强核力一类的短程力。

1957年，约翰·巴丁（John Bardeen）、利昂·库珀（Leon N. Cooper）、施里弗（John Schrieffer）共同创建了BCS理论，他们认为，由电子组成的库珀对形成了这种特别的场。

1960年，南部阳一郎将自发对称性破缺的概念引入粒子物理学。他建议，假定夸克与反夸克的质量为零，则生成它们的能量成本很低，如同电子们在超导体里凝聚为库珀对，它们会在真空里凝聚为夸克对，使得强相对作用的手征对称性被打破，夸克会因此获得质量。他又指出，在这机制里，还会出现一种新的零质量玻色子，即π介子，由于上夸克、下夸克的质量不等于零，π介子的实际质量不等于零，只是比其他种介子的质量都轻很多。

1962年，杰福瑞·戈德斯通（Jeffrey Goldstone）提出戈德斯通定理，对于这类零质量玻色子的性质给予描述。根据戈德斯通定理，当连续对称性被自发打破后必会生成一种零质量玻色子，称为戈德斯通玻色子。由于带质量粒子比较难制成，因此粒子加速器必须使用很高的能量来碰撞制成带质量粒子。

1963年，菲利普·安德森（Philip Anderson）发表论文指出，对于非相对论性的超导体案例，假若是规范对称性被打破，则不一定会出现戈德斯通玻色子，根据他的进一步猜测，这机制应该可以加以延伸来处理相对论性案例，但他并没有明确地给出一个相对论性案例。

1964年8月，恩格勒团队发表了三页论文，他们假定存在有复值标量场（即希格斯场），其数值在量子真空里不等于零，然后使用费曼图方法演示出规范玻色子怎样获得质量。恩格勒团队并没有提到任何关于希子的信息。之后的物理学者们分别发表的三篇PRL论文，在《物理评论快报》50周年庆祝文献里被公认为里程碑论文。三篇PRL论文中的两篇（由希格斯和GHK撰写）包含最终被称为希格斯场的假设场及其假设量子希格斯玻色子的方程。

1967年，物理学家Andrei Sakharov提出，如果宇宙满足几个条件，就有可能演化出一个由物质主导的世界，其中一个条件便是自然界中的一种基本对称性必须被打破，这种对称性就是CP对称性。CP是由电荷共轭（C）和宇称（P）两个分量的乘积给出的自然界的离散对称性。

1971年，荷兰物理学者马丁努斯·韦尔特曼（Martinus J. G. Veltman）与杰拉德·特·胡夫特（Gerard 't Hooft）发表了两篇论文，证明杨-米尔斯理论（一种非阿贝尔规范理论）可以被重整化，不论是对于零质量规范玻色子，还是对于带质量规范玻色子。自此以后，物理学者开始接受这些理论，正式将这些理论纳入主流。

1960年代的规范理论家专注于无质量矢量玻色子的问题，尽管大质量标量玻色子的隐含存在并不重要，但希格斯直接解决了这个问题。在GHK的论文中，玻色子是无质量的，并且与大质量状态解耦。2009年和2011年的评论中，Guralnik指出，在GHK模型中，玻色子仅在最低阶近似下是无质量的，但它不受任何约束并在高阶下获得质量，并补充说GHK论文是唯一一篇表明模型中没有无质量的戈德斯通玻色子，并对一般希格斯机制进行了完整分析的论文。

低能量实验设施可能无法找到希格斯玻色子，必须建造一座高能量粒子对撞机，同时还需要具有高亮度来确保搜集到足够的碰撞数据。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，分布在36个国家之中，这些电算设施以分布式计算的模式连结在一起。

最早大规模搜寻希格斯玻色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，但它并没有找到希格斯玻色子的确切存在证据。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。

费米实验室的兆电子伏特加速器继承了先前搜寻希格斯玻色子的任务。1995年，费米实验室发现了顶夸克，为了搜寻希格斯玻色子，实验室设施的功能被大大提升。兆电子伏特加速器只能用于更进一步排除希格斯玻色子质量值域。从分析获得的实验数据，兆电子伏特加速器团队得出希格斯玻色子质量在100-103GeV、147-180GeV以内，置信水平95%。在能量115–140GeV之间区域，超额事件的统计显著性为2.5个标准差。但该结果仍旧未能达到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希格斯玻色子的存在。这是史上最复杂的科学设施之一。但在开启测试后仅仅九天，该设施就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。

2011年12月，LHC的两个主要粒子探测器，ATLAS和CMS，已将希子的可能质量值域缩小至115-130GeV（ATLAS）与117-127 GeV （CMS）。另外，ATLAS在质量范围125-126GeV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124GeV探测到超额事件，统计显著性为2.6个标准差。

发现希格斯玻色子

2012年，在全球上万名科学家和工程师多年的努力下，希格斯玻色子被科学家利用日内瓦的欧洲核子中心（CERN）的一个大型加速器——大型强子对撞机（LHC）发现。物理学家与世界上最大的原子粉碎机——欧洲的大型强子对撞机（LHC）——合作，当他们报告说他们发现了一个粒子时，引起了轰动，这个粒子似乎是人们寻找已久的希格斯玻色子，这是他们标准粒子和力模型中最后一个缺失的部分。这些研究人员报告说，该粒子确实具有标准模型希格斯玻色子的基本预测特性，从而确定了这一特性。

从发现了这种新粒子以来，大型强子对撞机（LHC）——位于日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室（CERN）——一直非常小心地将这种新粒子描述为“类希格斯粒子”。最终欧洲核子研究中心称该粒子为“希格斯玻色子”。

虽然还没有完全确定，但目前的测量表明，这种新粒子没有自旋（而不是它的1或2个量子单位）和正奇偶性，研究人员在意大利拉图伊勒的一次会议上报告说：“这正是标准模型对希格斯玻色子的预测。”这些测量是由团队独立使用由大型强子对撞机提供的两个大质量粒子探测器进行的，这两个探测器被称为ATLAS和CMS。2012年，这两个团队同时发现了希格斯粒子。他们现在分析的数据大约是当时分析的两倍。

确认希格斯玻色子

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，这些证据表明这就是希格斯玻色子。

2014年，由丹麦哥本哈根大学和英国、芬兰科学家组成的研究团队对标准模型中最后一个未知参数——希格斯场和万有引力之间的耦合强度做出了限制。通过分析膨胀过程中保持稳定性所需的必要条件，推导出一个较低的界限值0.1，结合新结果，将耦合强度限制在0.1—1的范围，接近其历史估计值1/6。历史估值1/6是希格斯-万有引力零耦合时的数值，但这个值未必正确。

2023年，已经观测到的CP破缺过程仍不足以解释宇宙中物质-反物质的不对称性，一定还存在其他的CP破缺的来源，而且它们很可能就隐藏在与希格斯玻色子有关的相互作用中。在对大型强子对撞机（LHC）第2次运行所得到的完整数据集开展的一项新分析中，为了寻找CP破缺的迹象，研究人员测试了希格斯玻色子与弱力的载力粒子（即W和Z玻色子）的相互作用。他们研究了希格斯玻色子衰变为两个Z玻色子的过程，每个Z玻色子都能转化为一对轻子（一个电子和一个正电子，或一个μ子和一个反μ子），因此最终得到四个带电轻子。他们还研究了两个W或Z玻色子结合产生希格斯玻色子的相互作用。在这种情况下，一个夸克和一个反夸克会与希格斯玻色子一同产生，并在探测器中产生粒子“喷注”。

这些相互作用是CP破缺的理想试验场。当CP对称守恒时，观测到的喷注和轻子的行为模式应该是相同的。然而，当CP对称破缺时，粒子和反粒子的行为就会不同。研究人员将在这些过程中检测到的粒子的所有信息总结为一个数字——最优可观测量。这个可观测量的一个特殊特征是，其反粒子的测量值应该与粒子的测量值相等，但符号相反。如果一个过程是CP对称守恒的，那么数据中最优可观测量的平均值应该为0；如果CP破缺，均值就不会为0。

在新的分析中，研究人员使用最优可观测量，直接为CP破缺的可能数量拟定了极限。他们还测量了在校正可能存在的任何实验影响后，数据中每个最优可观察量的出现频率。这种测量使研究人员能够以一种与模型无关的方式将数据与理论预测进行比较，并检验潜在理论假设的有效性。这是首次对希格斯玻色子衰变为四个轻子的测量，这种测量让物理学家能以一种与模型无关的方式探测CP破缺的潜在迹象，它无需强烈依赖标准模型所预测的CP对称之外的其他方面。

性质

基本性质

希格斯场的性质

在标准模型中，希格斯场是一个标量超速子场——标量意味着它不会在洛伦兹变换下变换，而超速场意味着场（但不是粒子）具有虚部质量，并且在某些配置中必须经历对称性破坏。它由四个分量组成：两个中性分量场和两个带电分量场。带电分量和中性场之一都是戈德斯通玻色子，它们充当大质量W+、W−和Z玻色子的纵向第三极化分量。剩余中性分量的量子对应于（理论上实现为）大质量希格斯玻色子。

按照目前的物理学模型，宇宙在大爆炸膨胀之后很快就会缩，膨胀持续不超过1秒。而宇宙没有坍缩，部分原因是在膨胀过程中产生了希格斯玻色子，俗称“上帝粒子”。以往研究表明，在早期宇宙中，希格斯场可能获得足够大的波动来克服能量障碍，使宇宙从标准真空态转变为负能量真空态，而让宇宙迅速坍缩。研究人员解释说，希格斯场与万有引力之间耦合得越强，波动就越大，最终引发关键性过渡，转变成负能量真空态。据他们计算，在膨胀之后，只要耦合强度超过1，就会发生坍缩。

希格斯玻色子的性质

由于希格斯场是标量，因此希格斯玻色子没有自旋。希格斯玻色子也是它自己的反粒子，是CP偶数，并且电荷和色电荷为零。果该质量在115到180GeV/c2 之间（与125GeV/c2 的经验观测一致），那么标准模型可以在能量尺度上一直有效，一直到普朗克尺度。它应该是标准模型中唯一一个即使在高能量下也能保持质量的粒子。许多理论家预计，基于标准模型不令人满意的特性，标准模型之外的新物理学将在TeV尺度上出现。

大型强子对撞机无法直接测量希格斯玻色子的寿命，因为它非常短暂。根据预测的衰减宽度 4.07××10−3 GeV，预测为 1.5610−22 s。然而，它可以间接测量，基于比较从壳上生产途径和更罕见的壳外生产途径中发生的量子现象测量的质量，这些途径来自通过虚拟光子（H→γ*γ→llγ）得出的达利茨衰变。使用这种技术，希格斯玻色子的寿命在 2021 年被初步测量为 1.2 - 4.6 x 10−22 s。

希格斯机制

在希格斯机制中，希格斯场引起自发对称性破缺，基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。它通过自相互作用而获得质量。假若希格斯玻色子被证实存在，则希格斯场也应该存在，从而希格斯机制也被证实。

假希格斯机制产生的夸克质量很小，比如上夸克（up quark）和下夸克（down quark）的质量只有几个MeV。所以含有两个上夸克和一个下夸克的质子质量只有大约十几个MeV。

量子场论指出，真空并非一无所有，而是含有处于能量最低态（称为基态）的量子场。而有一类特殊的场称为“标量场”，它可以被视为一种介质，充当真空的背景。标量场的能量最低态就是真空。而根据标量场势能形状的不同，真空也可以处于不同的相，这就好比水可以是液相也可以是气相。

能量最低值位于标量场为零处，可以认为这是一种“气态”的真空；能量最低值则位于标量场不等于零的地方，可以认为这是一种“液态”的真空。如果真空的标量场不为零的话，则粒子在真空中运动的时候会和真空相互作用，出现一定的“受阻滞”效应。反之，如果真空的标量场为零，则粒子的运动不会受到影响，粒子就是无质量的，就像人类在空气中走路时感受不到阻碍一样。

事实上，上面描述的就是所谓的希格斯机制；希格斯场就是一种标量场，它的真空期望值不为零。而标准模型的基本粒子就是因为与希格斯场相互作用，才获得了质量。希格斯场作为“水”所激发的波纹就是希格斯玻色子，它早在1960年代就被物理学家预言，但迟至2012年才在欧洲的大型强子对撞机上被发现，并为理论提出者希格斯和恩格勒特赢得了2013年的诺贝尔奖。

希格斯玻色子的制备

在希格斯粒子理论生效的条件下，希格斯粒子在对撞机中可以像研究的其他粒子一样产生。这涉及将大量粒子加速到极高的能量和极接近光速的速度，然后让它们粉碎在一起。在这些碰撞的极端能量下，偶尔会产生所需的深奥粒子，这是可以被探测和研究的;任何与理论期望的缺失或差异也可以用来改进理论。相关的粒子理论（在本例中为标准模型）将确定必要的碰撞和探测器类型。标准模型预测希格斯玻色子可以通过多种方式形成。

胶子融合

如果碰撞的粒子是强子，例如质子或反质子——就像大型强子对撞机和Tevatron一样——那么最有可能的是将强子结合在一起的两个胶子碰撞在一起。产生希格斯粒子的最简单方法是将两个胶子结合形成一个虚夸克环。由于粒子与希格斯玻色子的耦合与其质量成正比，因此对于重粒子来说，这个过程更有可能发生。

希格斯玻色子轫致辐射

如果基本费米子与反费米子碰撞——例如，夸克与反夸克或电子与正电子——两者可以合并形成一个虚拟的W或Z玻色子，如果它携带足够的能量，就可以发射希格斯玻色子。这个过程是LEP的主要生产模式，电子和正电子碰撞形成一个虚拟的Z玻色子，这是Tevatron对希格斯粒子生产的第二大贡献。在大型强子对撞机上，这个过程只是第三大过程，因为大型强子对撞机将质子与质子碰撞，使得夸克反夸克碰撞的可能性低于Tevatron。Higgs Strahlung 也称为相关生产。

弱玻色子聚变

当两个（反）费米子碰撞时，另一种可能性是两者交换一个虚拟的W或Z玻色子，它发出希格斯玻色子。碰撞费米子不需要是同一类型。因此，例如，上夸克可以用反下夸克交换Z玻色子。该过程是大型强子对撞机和LEP产生希格斯粒子的第二重要过程。

顶夸克融合

通常认为的最后一个过程是迄今为止最不可能的（两个数量级）。这个过程涉及两个碰撞的胶子，两个胶子分别衰变为两个顶夸克反顶夸克粒子对。然后，每对夸克和反夸克可以结合形成希格斯粒子。

希格斯玻色子的衰变

根据量子力学预测，如果一个粒子有可能衰变成一组较轻的粒子，那么它最终会衰变为其他粒子。希格斯玻色子发生这种情况的可能性取决于多种因素，包括：质量差异、相互作用强度等。这些因素中的大多数都由标准模型固定，除了希格斯玻色子本身的质量，对于质量为125 GeV/c2的希格斯玻色子，SM预测其平均寿命约为1.6×10−22 s。

希格斯衰变的一种方式是分裂成费米子-反费米子对。一般来说，希格斯粒子比轻费米子更容易衰变成重费米子，因为费米子的质量与其与希格斯粒子相互作用的强度成正比。

按照这个逻辑，最常见的衰变应该是顶夸克-反顶夸克对。然而，只有当希格斯粒子重于~346 GeV/c2，并且是顶夸克质量的两倍时，才有可能衰变。对于质量为125 GeV/c2的希格斯粒子，SM预测最常见的衰变是变成底-反底夸克对，这种情况发生的可能性为57.7%。另一种情况下，希格斯粒子会分裂成一对大质量玻色子。最有可能的是希格斯粒子衰变成一对W玻色子，对于质量为125 GeV/c2的希格斯玻色子来说，发生的可能性约为21.5%。

2021年2月16日，据趣味科学网站报道，欧洲核子研究中心的科学家近日发现了希格斯玻色子衰变为两个轻子（带相反电荷的电子或μ子对）和一个光子——“达利兹衰变”的首个证据，这是研究人员在大型强子对撞机（LHC）上发现的最罕见的希格斯玻色子衰变之一，有助科学家发现新物理学。

上帝粒子

1988年诺贝尔物理学奖获得者利昂·莱德曼（Leon Max Lederman）为这种赋予万物质量的粒子起了一个这样的名字。莱昂·莱德曼（Leon Lederman）将希格斯玻色子作为粒子物理学探索历程中的一个里程碑。他曾任美国费米实验室主任，主导了超导超级对撞机项目，目的就是寻找希格斯玻色子。利昂·莱德曼曾著有粒子物理方面的科普书籍《上帝粒子》。莱德曼说他以“上帝粒子”为这粒子命名是因为这粒子“在当今物理学中处于极为中心的位置，对我们理解物质的结构极为关键、也极为难以捉摸”。

然而，许多科学家却不喜欢上帝粒子这一称呼，因为它过分强调了这粒子的重要性和教化。而且即使这粒子被发现，物理学者仍旧无法回答一些关于强相互作用、电弱相互作用、引力相互作用的统一化问题，以及宇宙的起源问题。

2009年，英国的《》开展了一个重新为上帝粒子命名的活动，并最终从提交的命名中选择了“香槟酒瓶玻色子”（ bottle boson）作为最佳命名。“香槟酒瓶的瓶底正好是希格斯势的形状，而且它常常在物理讲座中被用来作为图解。

研究意义

希格斯玻色子的发现具有里程碑意义，希格斯玻色子值得仔细审视，研究它的粒子内禀属性，研究它和其余基本粒子的耦合，研究它背后希格斯机制的自洽性(如双玻色子散射过程)，以及研究它和新物理(如暗物质)的关联等。希格斯物理研究成为当下粒子物理学的一个核心方向。从2012年的8 TeV 对撞质心能量往后，LHC的质子—质子对撞能量继续提高到13—13.6 TeV，创造了新的世界纪录。十年后的今天，获得的希格斯粒子数目相较2012年增长了近15倍，科学家们相继验证了它的标量粒子特性、它与一系列基本粒子（顶夸克、底夸克、Z玻色子、W玻色子、陶轻子、缪子）的耦合，并将一些主要希格斯过程的测量精度提升至10%。

科学家们大体已经认可了这个希格斯玻色子确实是标准模型需要的粒子。希格斯物理研究的未来或许会更加多样化：继续探索LHC实验上可观的希格斯过程，精确检验标准模型预言；充分利用LHC实验数据探索稀有希格斯物理过程，如希格斯玻色子与更轻费米子的耦合、其自耦合，以及其不可见衰变等，并揭示其与新物理现象的关系；未来科学们将探索希格斯玻色子在宇宙演化、真空电弱相变中的作用，探讨可能的互补实验观测等等。