希格斯玻色子发现十周年｜漫谈希格斯粒子(6)

4、实验探测
如前所述，希格斯粒子的实验现象十分稀有，需要从海量的噪声中如“大海捞针”一般去寻找它，加之它的质量无确定预言，这些因素给寻找工作带来了极大的困难。事实上，从希格斯机制、希格斯粒子的提出(1964年)到它的发现(2012年)，历时近半个世纪，这也从侧面反映了实验探测的艰苦卓绝。
实验上，科学家利用粒子加速器将常见的易获取的粒子(如电子、质子)加速到很高能量，然后轰击靶材料(打靶实验)，或者与另外一束高能粒子相向对碰(对撞机实验)，产生微观粒子世界的相互作用。只要质心能量足够，相互作用初始条件合适，就有可能产生可观的科学家们感兴趣的微观现象(即信号过程)。当然，诸如希格斯玻色子这样的不稳定粒子几乎立即衰变，最终观测到的实验末态包含的其实都是相对长寿命的粒子或现象，如光子、电子、缪子、陶轻子以及量子色动力学喷注等。只不过，这样看似寻常的实验末态中蕴含着我们孜孜求索的信号的痕迹。探测这些实验末态并进行数据分析可以获得与信号过程相关的物理结果。下面描述实验探测中的几个关键环节。
首先，粒子加速器要能将参与反应的粒子加速到足够的能量。科学家通常利用强电场来加速带电粒子，产生医用X射线的小型电子加速器长度在米量级，而要触摸到希格斯玻色子所在的电弱物理能标，直线加速器的长度得在十公里量级。如果参与反应的粒子只有小部分能量转换为目标粒子的质量，则实际加速能量需要更高，加速长度需要更长，在适合的条件下，往往采用环形加速器。粒子在圆圈中循环往复地加速和贮存，等待时机参与粒子间的相互作用。LHC是目前最大的环形加速器，周长达27 km。这样的巨型设施需要的是全世界之合力，且合并的不仅仅是人力智慧，还包括各种尖端技术，如用于加速的超导射频腔、偏转准直的超导磁铁和控制测量的超快抗辐射电子学系统等。
其次，需要极其大量重复实验才可探究如希格斯玻色子这样的稀有现象。我们知道，微观世界的观测量都是由一定的统计分布描述的。实验上准确测量这些分布，才能探索其背后的深刻物理，而要准确获得分布的全貌显然需要大统计量的重复实验。另外，微观世界的反应是十分复杂的，例如在LHC上，高能质子—质子对碰产生的是一个“万花筒”，每朵“花”对应一个反应过程，有不同的出现几率。包含希格斯玻色子的反应过程的出现几率极其低，低至每当质子—质子相互作用约一百亿次，才能出现一次希格斯玻色子。正是因为这些原因，加速器要能在有限的时间内(通常数年)尽可能多地触发反应(对应的实验术语叫积分亮度)，同时庞大的设施在经年累月的运行中要保证足够稳定，避免差错。