希格斯玻色子发现十周年｜漫谈希格斯粒子

·希格斯玻色子发现于2012年，是粒子物理学研究中的一件划时代的大事。它在粒子物理的“标准模型”中起关键性作用，通过神秘的对称性破缺机制给基本粒子带来质量，和高深莫测的量子真空息息相关，也被认为在宇宙演化的极早期起重要作用。在希格斯玻色子发现十周年之际，文章将从科普视角出发，描绘希格斯玻色子的理论背景、粒子特性、实验探测、研究现状和展望，揭开希格斯玻色子的神秘面纱，理解它的过去、现在和未来。
1、引言
粒子物理学研究物质世界的最基本组成成分及其相互作用规律，探索基本粒子间的微观“小宇宙”，追求对一系列根本问题的理解：物质到底有没有究极的不可再分的最小单元？基本粒子之间的相互作用有哪些？产生相互作用的根本原因是什么？什么是时间空间的本性？
从古希腊时期的原子论，到现代的量子力学，直至基于量子场论的粒子物理标准模型，人类从哲学到科学，结合理论与大量实验发现，逐步建立起了一套对微观粒子世界的成熟描述。标准模型中最后一个被实验证实的基本粒子是希格斯玻色子。它在媒体中常被戏称为“上帝粒子”，其对应的希格斯场被认为是基本粒子的质量来源，有举足轻重的地位。粒子物理学中还有诸多重大科学问题有待探究，如暗物质本性、宇宙正反物质不对称、中微子质量等等。
希格斯玻色子于2012年被发现[1，2]，直接促成提出该粒子假设[3—5]的理论学家中的彼得·希格斯与弗朗索瓦·恩格勒获得2013年的诺贝尔物理学奖。对希格斯粒子的研究是粒子物理学中的一个重要方向，从此由搜寻模式进入了测量模式。科学家希望通过更多的实验数据审视这一埋藏于微观世界深处的新事物，期待发现它与新物理的联系。
2022年正值希格斯玻色子发现十周年，本文将从如下几个方面展开：理论背景、希格斯玻色子的特性、希格斯粒子的实验探测，以及希格斯物理研究的现状和展望。
2、理论背景
2012年7月4日，在同行们的掌声和欢呼声中，时任欧洲核子研究中心主任的物理学家Rolf Heuer正式宣布：经过数十年的探索，数千名科学家在大型强子对撞机(LHC)上发现了希格斯玻色子。希格斯玻色子是物理学家在理解粒子物理标准模型过程中的最后一块拼图，有了希格斯玻色子，粒子物理学的标准模型也就完整了。
粒子物理学认为观测到的所有物质是由基本粒子组成的。标准模型认为世界上有三种带电轻子：电子、缪子和陶轻子，它们参与电磁和弱相互作用。世界上有三种不带电的中微子，它们只参与弱相互作用。原子核中的质子和中子不是基本粒子，它们是由夸克组成的。夸克是基本粒子，它们不能进一步分割。标准模型认为世界上有六种夸克(上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克)，它们参与电磁、弱以及强相互作用。量子场论认为物质的相互作用是通过媒介玻色子传递的：电磁相互作用通过光子传递。我们知道根据量子力学波粒二象性，电磁波兼有粒子的属性，其对应的粒子就是光子。弱相互作用，例如核子的β衰变，是由W、Z玻色子传递的。强相互作用是通过胶子传递的。随着1995年美国费米国家实验室发现了顶夸克，以上这些基本粒子都已经被发现。