希格斯玻色子发现十周年｜漫谈希格斯粒子(5)

希格斯玻色子与其他粒子的相互作用为物理学家们在实验上去寻找希格斯粒子指明了方向。根据它与其余粒子的相互作用，希格斯粒子可以在高能量对撞机中产生出来，比如LHC。LHC可以将质子加速到极高的能量，质子—质子质心系能量可以达到14 TeV。LHC上希格斯粒子的产生模式比较复杂，计算表明，其主要产生模式是胶子—胶子融合过程，产生截面的占比约80%，其他产生模式依次是玻色子融合、玻色子伴随以及顶夸克对伴随产生过程。事实上，LHC上希格斯粒子的总产生截面是可观的，因此LHC实际是一个“希格斯玻色子工厂”。
虽然在LHC里能产生大量的希格斯玻色子，但希格斯粒子的寿命极其短暂以至于其产生瞬间就衰变了。就像自然界的放射性衰变现象一样，一个粒子衰变后会得到其他的产物。由于希格斯粒子非常活跃，其衰变机理也相当的复杂。物理学家们用衰变的概率，也就是衰变分支比，来衡量粒子发生某种特定衰变过程的难易程度。希格斯粒子的衰变分支比取决于几个相应的物理参数，例如希格斯粒子的质量、衰变末态粒子的质量，以及希格斯粒子与衰变末态粒子之间的耦合强度等。一旦希格斯粒子的质量确定了，那么它在LHC上各种产生过程的截面和各个衰变末态的分支比就相应地确定了(图2)[7]。比如对于质量为125 GeV的希格斯玻色子，它最主要的衰变末态是两个底夸克，分支比约为56%，其次是衰变到两个W玻色子(23%)，其他各个玻色子或费米子末态的分支比大小不一。

图2 质子—质子对撞机上希格斯玻色子的产生截面(a)和衰变分支比(b)[7]
事实上，在实验上观测到希格斯粒子的信号是极其复杂和具有挑战性的一项任务。由于希格斯粒子具有不同的产生和衰变模式，二者可以任意组合，就意味着有很多的途径去寻找希格斯粒子信号。产生的截面越高，衰变分支比越大，就代表着可以观测到越多的希格斯粒子事例，反之就越少，如图2所示。此外，希格斯粒子的衰变末态是需要通过实验仪器来探测到的，不同末态粒子的探测方法和难易程度也相差很大。比如对于衰变分支比最大的顶夸克对要远比衰变分支比小得多的四轻子末态探测起来更加困难。让寻找希格斯粒子的任务更加艰巨的是，LHC不仅是一个希格斯工厂，它还会产生数据量更大的其他物理过程，比如顶夸克产生过程、矢量玻色子产生过程等，并且实验仪器探测到的数据是这些不同的物理过程混杂在一起的。要从海量的数据里寻找出希格斯粒子的信号，用“大海捞针”来描述并非夸张。