希格斯玻色子发现十周年｜漫谈希格斯粒子(7)

最后，依赖高精度的探测与高超的数据分析才能获得物理结果。前面说过，大量重复实验后，极少数的实验末态中才有可能有信号的踪迹，科学家依靠大型但又精密的探测器去全面捕获末态的信息。如希格斯玻色子那样的目标粒子诞生于实验反应的时间、坐标零点，但转瞬即逝，最终衰变产物次级粒子淹没在动辄数百粒子的实验末态中。因此，探测器必须有能力追踪每一个末态粒子，并准确测量它的路径、能量、种类等信息，最终我们利用这些信息窥探零点发生了什么(术语叫“重建”)。图3展示了ATLAS实验对希格斯粒子衰变为双缪子实验末态的一次探测。探微知著的总体科学目标使得对这些测量的精度要求极其严苛，诞生与发展了一系列先进的探测技术，其中许多技术后来又广泛应用于国计民生，如医学成像、地球勘探，辐射探测等。大统计量的实验末态集合乘以每个末态对应的大量探测器信息，构成了一个真正意义上的大数据集。
科学家们小心翼翼地开展大数据分析，对比模拟数据和真实数据，应用来自探测器和来自理论计算的修正因子，巧妙地利用物理规律设计筛选条件来压制噪声，提高信号探测的显著程度。经过反复锤炼的数据分析最终给出可靠的物理结论和令人信服的误差分析。
图3 LHC上ATLAS实验探测到的一次希格斯粒子衰变为双缪子实验末态的图像展示。红色径迹为缪子，图中展示了部分探测器结构 (图片来源：欧洲核子中心)
受限于篇幅，关于实验探测的更深入的介绍无法展开，但笔者希望如上的描述能帮助读者从大方向上把握实验探测的宏大精妙之处。讨论完这些基本环节之后，下面简略描述希格斯粒子的探索历程。
真正系统性地对希格斯粒子进行现象学讨论和实验寻找的起点大体可以追溯回1975年附近。那时，通过对低能核物理数据进行分析，并利用低能强子对撞，科学家在兆电子伏和吉电子伏区间对希格斯玻色子进行寻找，显然并没有找到其存在的迹象，因此推论它的质量应该在这个能量段之上。
时间来到了大型对撞机时代中的20世纪90年代，科学家们重点在欧洲核子研究中心的大型正负电子对撞机(LEP)以及美国费米国家实验室的质子—反质子对撞机(Tevatron)上寻找希格斯玻色子。LEP运行到千禧年而后停机改造成LHC，而Tevatron运行到2011年。LEP上没有找到希格斯玻色子的迹象，给出了质量下限114 GeV，而Tevatron上的数据分析到2011年也未有发现，排除了156—177 GeV区间。考虑到最终发现希格斯玻色子的质量为125 GeV，可以说这两次尝试都很接近，但由于历史的偶然性，是不幸运的。LEP受限于对撞能量，而Tevatron受限于统计量。