在LHC上尋找希格斯粒子

1、 陳國(guó)明1.大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(Large Hadron Collider,簡(jiǎn)稱LHC2010年3月開(kāi)始運(yùn)行,對(duì)撞能量為7TeV,這是設(shè)計(jì)能量14TeV的一半。瞬時(shí)亮度從1027cm-2s-1迅速上升,2010年底達(dá)到1032cm-2s-1,2011年底達(dá)到1033cm-2s-1,積分亮度有5/fb, 超過(guò)原來(lái)的預(yù)期。LHC進(jìn)入出成果階段。LHC設(shè)有4個(gè)對(duì)撞點(diǎn),它們是ATLAS、ALICE、CMS和LHCb,其中ATLAS和CMS是其主要實(shí)驗(yàn),這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是尋找希格斯(Higgs粒子和其他新的物理現(xiàn)象。本文主要介紹在ATLAS和CMS 實(shí)驗(yàn)上尋找希格斯粒子的進(jìn)展。由于本人參加了C

2、MS實(shí)驗(yàn),因此對(duì)CMS的介紹會(huì)詳細(xì)一些。2. 希格斯粒子根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型,希格斯粒子是質(zhì)量之源。地球繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)沒(méi)有飛出去,是因?yàn)榈厍蚝吞?yáng)之間存在引力,而引力的起因是質(zhì)量。地球上每個(gè)物體都有質(zhì)量,它們都能感受到地球?qū)λ囊?。然而質(zhì)量的起源是什么?要厘清這一問(wèn)題,可以先看看物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。莊子說(shuō):“一尺之棰,日取其半,萬(wàn)世不竭”,意思是說(shuō)物質(zhì)是無(wú)限可分的。依賴于實(shí)驗(yàn)發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代物理學(xué)告訴我們,任何物體都是由分子構(gòu)成,分子由原子構(gòu)成,原子由原子核和繞核旋轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成。而原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成,質(zhì)子和中子都由夸克和膠子組成。像夸克、膠子和電子到現(xiàn)在為止沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有更深層次的結(jié)構(gòu),因此被稱為基本粒子。已經(jīng)知

3、道有六種夸克,它們是上(u、下(d、奇(s、粲(c、底(b和頂(t夸克。有六種輕子,它們是電子(e、繆子(、陶子(、電子中微子(e、繆子中微子(和陶子中微子(。已經(jīng)知道電子的直徑小于10-19米,就是說(shuō)它可能是一個(gè)點(diǎn)粒子。其他的基本粒子也沒(méi)測(cè)到大于0的直徑。實(shí)驗(yàn)中測(cè)到輕子和夸克都有質(zhì)量,但中微子的質(zhì)量非常小。我們可以推測(cè)物體有質(zhì)量是因?yàn)闃?gòu)成這些物體的基本粒子有質(zhì)量。不過(guò)實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)物體的質(zhì)量并不等于構(gòu)成這個(gè)物體所有基本粒子的質(zhì)量之和。在研究核裂變中發(fā)現(xiàn)裂變出來(lái)的兩個(gè)碎片的質(zhì)量和小于原來(lái)核子的質(zhì)量,不過(guò)裂變過(guò)程放出了能量。其減小的質(zhì)量(M和放出的能量E之間滿足愛(ài)因斯坦公式:E=Mc2,這個(gè)能量叫做

4、結(jié)合能。原子彈就是根據(jù)這一原理造出來(lái)的。因此物體質(zhì)量的另一個(gè)來(lái)源是結(jié)合能。假設(shè)輕子和夸克還能再分,那么有可能輕子和夸克的質(zhì)量主要來(lái)自結(jié)合能。不過(guò)到現(xiàn)在為止,我們還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)輕子和夸克有下一層次的結(jié)構(gòu)。在日常的世界中我們常見(jiàn)有兩種相互作用力,即萬(wàn)有引力和電磁力。在微觀世界中還存在力程很短的弱相互作用力和強(qiáng)相互作用力。任何質(zhì)量不為0的粒子都參加引力相互作用,在基本粒子領(lǐng)域,由于其作用力相對(duì)于其他三種是如此之小,以致于可以被忽略。這樣輕子參加電磁相互作用和弱相互作用,夸克則參加所有三種相互作用。除輕子和夸克外還存在攜帶作用力的媒介粒子,它們是傳遞電磁相互作用的光子,傳遞弱相互作用的Z0、W+和W-以及

5、傳遞強(qiáng)相互作用的膠子g。科學(xué)家通過(guò)不停的探索形成了描述基本粒子及其相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型。標(biāo)準(zhǔn)模型由描寫(xiě)電磁力和弱力的電弱統(tǒng)一理論以及描寫(xiě)強(qiáng)力的量子色動(dòng)力學(xué)組成。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型,輕子和夸克是不能再分的、沒(méi)有結(jié)構(gòu)的基本粒子。希格斯粒子是質(zhì)量之源,它使傳遞弱相互作用的規(guī)范玻色子Z0、W±獲得質(zhì)量,通過(guò)與輕子和夸克的相互作用,也使輕子、夸克獲·26 ·現(xiàn)代物理知識(shí)得質(zhì)量。根據(jù)這一模型和大爆炸理論,我們的宇宙起始于一次大爆炸,無(wú)數(shù)的正、反粒子同時(shí)產(chǎn)生,輕子和夸克通過(guò)與希格斯場(chǎng)的相互作用獲得了質(zhì)量。這些粒子凝聚成物質(zhì),通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的演化形成了星系,從而有了地球,有了人類。如果沒(méi)有質(zhì)

6、量就沒(méi)有引力作用,宇宙就不會(huì)是現(xiàn)在這樣。因此希格斯粒子被稱為“上帝”粒子。希格斯粒子是LHC 的首要物理目標(biāo)。不過(guò)在找到希格斯粒子之前,它還只是一個(gè)傳說(shuō)。實(shí)際上也存在與標(biāo)準(zhǔn)模型競(jìng)爭(zhēng)的理論,比如超對(duì)稱理論,它可以將電磁力、弱力和強(qiáng)力統(tǒng)一起來(lái)。超弦理論可以將4種作用力都統(tǒng)一起來(lái)。在超對(duì)稱理論中存在多種希格斯粒子,其性質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)模型的希格斯有很大不同。在超弦理論中則不存在希格斯粒子。如果輕子和夸克還能再分,則這些理論都是不正確的,一切等待實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。3.標(biāo)準(zhǔn)模型標(biāo)準(zhǔn)模型在提出的時(shí)候可以解釋以往所有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,并預(yù)言存在Z0、W+、W-、H和g等5個(gè)玻色子。結(jié)果Z0和W±在歐洲核子中心的質(zhì)子-

7、反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)上被找到,根據(jù)量子色動(dòng)力學(xué),膠子是不自由的,但可以被夸克輻射出來(lái),形成噴注。這樣的膠子(g噴射也在丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的Mark-J實(shí)驗(yàn)中被找到。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型,由Z0衰變的兩個(gè)輕子是前后不對(duì)稱的,并且極化也是不對(duì)稱的。比如我們用e+、e-對(duì)撞產(chǎn)生Z0,然后由Z0衰變到另外兩個(gè)輕子+、-,由于動(dòng)量守恒,+、-一定是背對(duì)背的?，F(xiàn)在用一個(gè)垂直于束流線的平面放在e+、e-的對(duì)撞點(diǎn)上,將e+前進(jìn)方向的一半空間稱為前向,另一半稱為后向,問(wèn)+是往前飛的多還是往后飛的多。如果令A(yù) FB=(N F-N B/ (N F+N B,其中N F是+往前飛的事例數(shù),N B則是向后飛的事例數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言A FB不為0,

8、并且與溫伯格角w有關(guān)。這一預(yù)言在歐洲核子中心的LEP實(shí)驗(yàn)得到檢驗(yàn),并且由此測(cè)出sin2w=0.2302±0.0004。標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言由Z0衰變的兩個(gè)輕子,其極化不對(duì)稱度也與溫伯格角有關(guān)。實(shí)驗(yàn)上可以測(cè)量極化不對(duì)稱度A pol=(N R-N L/(N R+N L,其中N R表示由Z0衰變的右旋輕子,比如說(shuō)+的事例數(shù),N L表示左旋輕子的事例數(shù)。歐洲核子中心的LEP實(shí)驗(yàn)測(cè)得A pol=-0.1540±0.0074±0.0044,0.0074是統(tǒng)計(jì)誤差,0.0044位系統(tǒng)誤差。特別神奇的是由此推斷的sin2w值為0.2306±0.0011,與A FB的結(jié)果非常一致

9、。因此在LEP實(shí)驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)模型得到了精確檢驗(yàn)。實(shí)際上這樣的精確檢驗(yàn)還有多處,不一一列舉,到目前為止,世界上各個(gè)大型對(duì)撞實(shí)驗(yàn)都未發(fā)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)模型矛盾之處,因此標(biāo)準(zhǔn)模型取得了巨大成功。唯一的遺憾是標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的希格斯粒子至今沒(méi)有被發(fā)現(xiàn),LEP給出其質(zhì)量下限為114GeV/c2。在自然單位制里,c =1,質(zhì)量單位與能量單位相同,可直接記為114GeV。美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)了頂夸克t,但至今也未發(fā)現(xiàn)希格斯粒子。在對(duì)宇宙的觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)模型不能解釋的事情。宇宙中存在大量像銀河系這樣的星系,對(duì)星際物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量結(jié)果表明,星系中存在著大量的暗物質(zhì),至今已測(cè)量的967個(gè)星系無(wú)一例外,

10、暗物質(zhì)必須占整個(gè)星系物質(zhì)的90%以上,否則這些星系早已瓦解,因?yàn)橥鈬窍滴镔|(zhì)的速度太快。圖1表示測(cè)量到的NGC3198星系的旋轉(zhuǎn)線速度與離星系中心的距離的關(guān)系。從可見(jiàn)的物質(zhì)分布可以推斷出一條下降的曲線,如圖示“Disk”曲線。但我們看到的實(shí)測(cè)旋轉(zhuǎn)線速度隨著距離的增加并不下降,這意味存在10倍于可見(jiàn)物質(zhì)的暗物質(zhì)。 圖1 NGC3198星系的旋轉(zhuǎn)線速度與離星系中心的距離的關(guān)系Halo:暈,假設(shè)暗物質(zhì)存在,并且10倍于可見(jiàn)物質(zhì)時(shí)的旋轉(zhuǎn)線速度曲線;Disk:銀盤(pán),從可見(jiàn)的物質(zhì)分布可以推斷出的曲線另外引力透鏡實(shí)驗(yàn)和威爾金森微波各向異性探測(cè)器(WMAP實(shí)驗(yàn)結(jié)果都得出同樣的結(jié)論。暗物質(zhì)到底是什么物質(zhì)?行星和

11、恒星,星際塵埃,電離氣體,已死去的恒星,黑矮星,中子星黑洞等都是暗物質(zhì),但這些是可測(cè)算的。90%以上的暗物質(zhì)是有別于通常的重子物質(zhì)的其他物質(zhì),是標(biāo)準(zhǔn)模型所不能解釋的。24卷第1期(總139期 ·27·超對(duì)稱理論可以解釋暗物質(zhì)。超對(duì)稱理論將電磁力、弱力和強(qiáng)力統(tǒng)一在一起。根據(jù)超對(duì)稱理論,所有粒子都有超對(duì)稱伴子,其中最輕的超對(duì)稱粒子“neutratino”是穩(wěn)定粒子,有可能就是暗物質(zhì)。但在對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)上至今還未找到任何超對(duì)稱伴子。如果超對(duì)稱是正確的話,這些超對(duì)稱伴子以及“neutralino”可以在LHC實(shí)驗(yàn)中找到。超弦理論認(rèn)為存在超過(guò)4維時(shí)空的超維空間。這一理論中的“KK”粒子也

12、可以解釋為暗物質(zhì)。根據(jù)這個(gè)理論,兩個(gè)質(zhì)子相撞會(huì)產(chǎn)生迷你黑洞,然后會(huì)馬上蒸發(fā),產(chǎn)生大量噴注。迷你黑洞蒸發(fā)出來(lái)的噴注有特點(diǎn),一是數(shù)量大,二是4立體角均勻分布。如果超弦理論是正確的話,這樣的迷你黑洞可以在LHC實(shí)驗(yàn)中被找到。綜上所述,如果找到了希格斯粒子,就是找到了質(zhì)量之源,證實(shí)了標(biāo)準(zhǔn)模型的正確性。如果排除了希格斯粒子的存在則證明標(biāo)準(zhǔn)模型是錯(cuò)誤的,我們所理解的宇宙需要另一種解析,這將引起一場(chǎng)物理學(xué)的革命。4. 希格斯粒子的尋找LHC的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞實(shí)際上是部分子之間的對(duì)撞(我們將夸克和膠子統(tǒng)稱為部分子,因?yàn)橘|(zhì)子由多個(gè)部分子構(gòu)成,而被撞上的是其中的一個(gè),其余的都是旁觀者。旁觀者碎裂成強(qiáng)子,保持其母質(zhì)子

13、的運(yùn)動(dòng)方向,順著束流管道跑掉了。兩個(gè)對(duì)撞的部分子發(fā)生相互作用,其末態(tài)粒子將偏離出束流管,從而被探測(cè)器探測(cè)到。一般來(lái)說(shuō)偏離的角度越大越容易探測(cè)。絕大多數(shù)的末態(tài)粒子仍舊是膠子和夸克,它們是不能自由的,在離開(kāi)對(duì)撞點(diǎn)之前就碎裂成大量強(qiáng)子,形成噴注,有的末態(tài)是光子,或者Z0,或者W+,或者W-加上噴注,還有的是輕子如電子、子、子加噴注。在高能物理中像噴注中的、k等強(qiáng)子,還有光子、電子、子都是長(zhǎng)壽命粒子,而像Z0、W±和等都是短壽命粒子,它們沒(méi)出束流管道就衰變掉了,是沒(méi)法直接探測(cè)的。短壽命粒子最后都衰變到長(zhǎng)壽命粒子,飛出束流管,從而被探測(cè)器捕捉到。這樣對(duì)探測(cè)器的一個(gè)基本要求是能區(qū)分這些長(zhǎng)壽命粒子

14、:電子、子、光子、帶電強(qiáng)子和中性強(qiáng)子。末態(tài)中還有一種長(zhǎng)壽命粒子是中微子,但無(wú)法探測(cè),因?yàn)樗鼈兣c物質(zhì)幾乎不相互作用。但我們可以通過(guò)動(dòng)量守恒原理來(lái)確定動(dòng)量丟失。要求x、y、z三個(gè)方向的動(dòng)量相加為0,因?yàn)閮少|(zhì)子對(duì)撞,初始的總動(dòng)量是0。不為0的部分就是動(dòng)量丟失。但由于順著束流管跑掉的部分無(wú)法探測(cè),我們將這個(gè)方向設(shè)為z,可以探測(cè)的是x、y兩個(gè)方向的動(dòng)量丟失,這兩個(gè)方向的矢量和叫做橫動(dòng)量丟失。CMS探測(cè)器如圖2所示?？傮w上看是一個(gè)圓柱體,長(zhǎng)13 m,直徑6 m。束流管是圓柱體的軸,其直徑6 cm,對(duì)撞點(diǎn)位于圓柱體的中心。 圖2 CMS探測(cè)器剖面圖這樣對(duì)撞產(chǎn)生的粒子,除順著束流管跑掉的部分,都能夠被探測(cè)到。

15、圍繞對(duì)撞點(diǎn)套嵌著各種子探測(cè)器,由內(nèi)到外,它們是硅像素(Si-Pixel頂點(diǎn)探測(cè)器,硅微條(Si-Strip徑跡探測(cè)器,鎢酸鉛晶體電磁量能器,黃銅閃爍體夾層強(qiáng)子量能器,超導(dǎo)螺線圈,軛鐵和子探測(cè)器。由于是套嵌結(jié)構(gòu),由對(duì)撞點(diǎn)飛出的粒子必須先通過(guò)內(nèi)探測(cè)器才能到達(dá)外探測(cè)器。強(qiáng)子量能器以內(nèi)是探測(cè)器的心臟,但從外形尺寸來(lái)看,超導(dǎo)線圈、軛鐵和子探測(cè)器是其主體,因此稱之為緊湊的子螺線圈(Compact Muon Sole-noid,簡(jiǎn)稱CMS。ATLAS 探測(cè)器比CMS探測(cè)器要大得多,同樣也有頂點(diǎn)探測(cè)器,徑跡探測(cè)器,電磁量能器,強(qiáng)子量能器和繆子探測(cè)器組成。關(guān)于ATLAS探測(cè)器的詳細(xì)描述可以參閱本刊2008年第5

16、期童國(guó)梁先生的文章。CMS和ATLAS實(shí)驗(yàn)的首要物理目標(biāo)都是尋找希格斯粒子。希格斯質(zhì)量小于114 GeV/c2已經(jīng)被LEP實(shí)驗(yàn)排除。在LHC,希格斯主要由兩個(gè)膠子熔合產(chǎn)生,當(dāng)希格斯質(zhì)量為120 GeV/c2時(shí),其產(chǎn)生截面約為10 pb=10-35 cm2,其次是由W+、W-或者Z Z 熔合產(chǎn)生,W和Z由夸克輻射出來(lái),其截面比膠子熔合產(chǎn)生要低一個(gè)量級(jí)。在前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)強(qiáng)子的總截面為10-25 cm2,因此希格斯的產(chǎn)生截面比強(qiáng)子要·28 ·現(xiàn)代物理知識(shí)小10個(gè)量級(jí),問(wèn)題還不止于此,希格斯還要衰變。當(dāng)質(zhì)量在120 GeV/c2左右,希格斯主要衰變到b夸克對(duì),b夸克對(duì)碎裂成強(qiáng)子噴注,

17、與普通強(qiáng)子事例很難區(qū)分。約有7%的幾率衰變到輕子對(duì),但輕子也不是穩(wěn)定粒子,它衰變到輕子加中微子的幾率是35%,強(qiáng)子加中微子的幾率是65%。希格斯也可以直接衰到兩個(gè)穩(wěn)定粒子:,但衰變分支比只有2%。盡管如此,當(dāng)希格斯質(zhì)量在120 GeV/c2左右,CMS主要通過(guò)輕子對(duì)和兩光子的衰變道來(lái)尋找希格斯粒子,其事例率比強(qiáng)子事例率要小12至13個(gè)量級(jí)。這就是說(shuō)至少要在1012個(gè)事例中找出一個(gè)希格斯粒子,就好比在一大堆沙子中,有一顆是金沙,需要找出來(lái)。不過(guò)CMS和ATLAS在設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮到了這些困難,目前建造完成的探測(cè)器有能力將希格斯粒子找出來(lái)。以兩光子末態(tài)為例,希格斯衰變的兩個(gè)高能光子,記為H,能量全部

18、沉積在電磁量能器中,而強(qiáng)子的能量在電磁量能器中沉積較小,由此可以排除大部分強(qiáng)子事例。但問(wèn)題的復(fù)雜性在于膠子和夸克在碎裂時(shí)可以產(chǎn)生0,0在束流管道內(nèi)就衰變成兩個(gè)光子,與希格斯衰變成的兩個(gè)光子不同,希格斯衰變的兩個(gè)光子張開(kāi)角大,而0衰變的兩個(gè)光子幾乎靠在一起,而能量也全部沉積在電磁量能器中,容易被誤判成一個(gè)光子。如果在一個(gè)強(qiáng)子事例中有兩個(gè)這樣的0,就容易被誤認(rèn)為是希格斯事例。但是強(qiáng)子事例中的0是由膠子、夸克碎裂出來(lái)的,必然伴隨著同時(shí)碎裂出來(lái)的大量的其他強(qiáng)子,形成噴注。而希格斯衰變的兩個(gè)光子都是孤立的,根據(jù)這一特點(diǎn),可以排除絕大部分含兩個(gè)高能0的強(qiáng)子的事例。對(duì)于H,還有無(wú)法抑制的本底,就是由正反夸克

19、對(duì)直接湮滅為兩個(gè)光子,這兩個(gè)光子也是孤立的。我們可以用兩個(gè)光子的不變質(zhì)量來(lái)區(qū)分。令m2=(E1+E22-(p1 +p22,其中E1、p1為第一個(gè)光子的能量和動(dòng)量,E2、p2則為另一個(gè)光子的能動(dòng)量。這里采用自然單位制。根據(jù)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論,如果這兩個(gè)光子是由希格斯衰變而來(lái),則m就是希格斯粒子的質(zhì)量。實(shí)際上光子的質(zhì)量為0,E1=P1,E2=P2,兩光子的不變質(zhì)量平方可寫(xiě)成:m2=2(P1P2-p1p2。這樣在m的分布圖上,由夸克對(duì)湮滅的雙光子事例以及混入的強(qiáng)子事例形成連續(xù)譜,而H的事例形成一個(gè)峰,峰的位置就是希格斯的質(zhì)量。如圖3所示。本底的m分布是一個(gè)線性下降的連續(xù)譜,而由希格斯衰變的m在130

20、GeV/c2處形成一個(gè)峰。這是由蒙特卡羅模擬得到的,模擬時(shí)假設(shè)希格斯的質(zhì)量為130 GeV/c2。所以當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)事例,其中有兩個(gè)高能光子,并不能說(shuō)發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子,只有當(dāng)m的分布圖上出現(xiàn)了一個(gè)顯著的峰,才能說(shuō)發(fā)現(xiàn)了希格斯。將圖3中斜坡上面凸起部分的事例數(shù)記為S,而將凸起部分斜坡下面的事例數(shù)記為b,當(dāng)S /5時(shí)可以說(shuō)發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子。 圖3 模擬希格斯質(zhì)量為130GeV時(shí)兩光子不變質(zhì)量分布當(dāng)希格斯質(zhì)量大于140 GeV/c2,CMS將主要地從HW+W-或HZ Z尋找希格斯。以HZZ為例,每個(gè)Z玻色子可以衰變到正負(fù)子對(duì),這樣希格斯最后衰變到兩對(duì)子。在CMS 子是最清晰的,因?yàn)槠渌Ｗ佣急蛔钃?/p>

21、在強(qiáng)子量能器以內(nèi)。所以該道被稱為發(fā)現(xiàn)希格斯的黃金道。即使如此該道也有不可抑制的本底,那就是由正反夸克直接湮滅到兩個(gè)Z玻色子。我們可以用4個(gè)子的不變質(zhì)量區(qū)分,由希格斯衰變的4個(gè)子的不變質(zhì)量形成一個(gè)峰,而本底的4個(gè)子的不變質(zhì)量則是連續(xù)分布。如果希格斯的質(zhì)量在130160 GeV/c2或大于190 GeV/c2,從該道尋找希格斯是最容易的,而當(dāng)希格斯質(zhì)量在160190 GeV/c2時(shí),通過(guò)HW+W-來(lái)尋找是最容易的。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯的質(zhì)量與頂夸克質(zhì)量和24卷第1期(總139期 ·29·W質(zhì)量是有關(guān)聯(lián)的。如圖4所示,橫軸為頂夸克質(zhì)量,縱軸為W質(zhì)量。比如說(shuō),測(cè)到的希格斯質(zhì)量為114

22、 GeV/c2,則可以在此圖上畫(huà)一條斜線,如圖所示。測(cè)定了頂夸克質(zhì)量和W質(zhì)量則可以在圖中畫(huà)一個(gè)點(diǎn),如果該點(diǎn)在斜線上,則說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)模型是自洽的。目前測(cè)到的W質(zhì)量為80.4 GeV/c2,頂夸克質(zhì)量約為171 GeV/c2,落在希格斯114 GeV/c2斜線的上方,說(shuō)明希格斯質(zhì)量應(yīng)該小于114 GeV/c2,但小于該值的希格斯已被排除。這里出現(xiàn)了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型的危機(jī)。當(dāng)然目前測(cè)量的誤差較大,實(shí)心橢圓代表了一倍的誤差范圍,在2倍的誤差范圍內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)模型還能符合。 圖4 希格斯質(zhì)量與頂夸克質(zhì)量和W質(zhì)量的關(guān)系LEP1和LEP2是兩個(gè)歐洲核子中心的實(shí)驗(yàn),SLD和Tevatron 是兩個(gè)在美國(guó)的實(shí)驗(yàn)。圖中的圈代表

23、一倍標(biāo)準(zhǔn)差的范圍5. 在LHC上尋找希格斯的進(jìn)展實(shí)驗(yàn)上如果找到希格斯粒子,則可以計(jì)算出它的產(chǎn)率,并與標(biāo)準(zhǔn)模型的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如果沒(méi)找到也不能斷言希格斯粒子沒(méi)有,但可以肯定產(chǎn)率低。在這種情況下,實(shí)驗(yàn)將給出產(chǎn)率的上限,意思是即使希格斯粒子存在,它的產(chǎn)率一定小于這個(gè)值。如果這個(gè)上限小于標(biāo)準(zhǔn)模型理論的計(jì)算值,則標(biāo)準(zhǔn)模型的希格斯被排除。但標(biāo)準(zhǔn)模型沒(méi)準(zhǔn)確預(yù)言希格斯的質(zhì)量,并且產(chǎn)率隨著質(zhì)量是變化的,因此我們對(duì)每個(gè)質(zhì)量點(diǎn)都要進(jìn)行研究。這個(gè)上限值代表了實(shí)驗(yàn)的靈敏度,能達(dá)到的上限值越低,實(shí)驗(yàn)的靈敏度就越高,說(shuō)明實(shí)驗(yàn)可以看到產(chǎn)率很低的粒子。實(shí)驗(yàn)的靈敏度與積分亮度,粒子識(shí)別能力,接受度,能量和動(dòng)量的測(cè)量精度有

24、關(guān)。希格斯在產(chǎn)生后會(huì)馬上衰變,它的衰變道在上一節(jié)中做了介紹。利用收集到的大約 5/fb的數(shù)據(jù), CMS和ATLAS這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組從各個(gè)可能的衰變道來(lái)尋找希格斯粒子。比如CMS實(shí)驗(yàn)從H來(lái)尋找希格斯,兩不變質(zhì)量的分布如圖5所示。圖5中沒(méi)有看到像圖3那樣明顯的鼓包,但在120 GeV到140 GeV之間有一些變化。為了便于讀者直觀的感覺(jué)實(shí)驗(yàn)的靈敏度,底部120 GeV上的小鼓包代表希格斯質(zhì)量為120 GeV,且產(chǎn)生截面是標(biāo)準(zhǔn)模型5倍時(shí),兩不變質(zhì)量的分布?？梢栽O(shè)想將這個(gè)鼓包內(nèi)的事例數(shù)縮小5倍,再疊加到測(cè)量到的不變質(zhì)量譜上,會(huì)不會(huì)有明顯的鼓包。估計(jì)不會(huì)很明顯,說(shuō)明積累的數(shù)據(jù)還不夠。圖6給出從該道尋找希格斯

25、的結(jié)果。 圖5 CMS 2011年底所作兩不變質(zhì)量的分布 圖6 CMS 2011年底從兩道尋找希格斯的結(jié)果圖6中的虛線表示靈敏度,也稱為期望截面上·30 ·現(xiàn)代物理知識(shí)限。這個(gè)截面上限已經(jīng)用標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言截面進(jìn)行 了歸一。從圖中可以看出，這條線很接近 1，但還 沒(méi)有達(dá)到。因此靈敏度還不夠，還需要進(jìn)一步的數(shù) 據(jù)積累。這條線上下的帶寬代表實(shí)驗(yàn)上估計(jì)靈敏度 的誤差，圖 6 中給出了 1 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差和 2 倍標(biāo)準(zhǔn)偏 差的寬度。實(shí)線代表真實(shí)數(shù)據(jù)給出的截面上限?？?以看到從 127 GeV 到 132 GeV，截面上限低于標(biāo)準(zhǔn) 模型預(yù)言，因此這一能區(qū)的希格斯已被排除。同時(shí) 也看到在 124 GeV 處，實(shí)際高于期望兩倍標(biāo)準(zhǔn)差， 這可能來(lái)自統(tǒng)計(jì)漲落，也可能來(lái)自希格斯信號(hào)。由 于數(shù)據(jù)量不足，目前沒(méi)有結(jié)論。 結(jié)合 H、ZZ、WW、bb 等其他道的尋 找， 7 給出了 CMS 2011 年尋找希格斯的綜合結(jié)果。 圖 格斯不存在，CMS 和 ATLAS 看到的超出都是統(tǒng)計(jì) 漲落。 圖 8 ATLAS 2011 年底從兩 道尋找希格斯的結(jié)果 6. 討論和展望 綜合 CMS 和 ATLAS 2011 年底給出的結(jié)果以及 以往 LEP 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，115.5 GeV 以下的希格斯已 經(jīng)被排除， 127600 GeV