希格斯玻色子发现简史(2)

尽管希格斯玻色子的理论预言很早就被提出，但寻找希格斯玻色子的过程却花费了近半个世纪。由于标准模型本身无法预测希格斯玻色子的质量，实验粒子物理学家只能渐次探索希格斯玻色子可能存在的质量区间。时值希格斯玻色子发现十周年，我们希望通过本文带领读者简单回顾希格斯玻色子发现的历史。
02
早期的实验探索
2.1 希格斯玻色子的直接寻找
在解决了重大理论困难后，希格斯机制理论从20世纪70年代起开始被主流粒子物理学界所接受。实验上对于希格斯玻色子的探索也自此开始。例如，早期利用电子与中子或氘核的散射，科学家将希格斯玻色子的质量约束在0.6 MeV(1 eV=1.6×10-19 J，依据爱因斯坦质能转换关系，用作质量单位时等于1.8×10-33 g)以上[7]。但由于此时理论尚无法为实验提供有效指引，并且许多标准模型预测的基本粒子尚待证实，因此寻找希格斯玻色子并未立刻成为实验粒子物理学界追逐的首要物理目标。
随着标准模型预测的其他基本粒子，尤其是与希格斯机制紧密相关的大质量规范玻色子W±与Z被发现，标准模型的成功开始被广泛接受，而验证作为标准模型核心之一的希格斯机制也因此变得愈发重要。从20世纪80年代起，以欧洲核子中心大型正负电子对撞机(Large Electron Positron Collider，LEP)以及美国费米国家实验室质子—反质子对撞机(Tevatron)为代表的大型加速器实验(图2)开始参与到希格斯玻色子的搜寻当中，极大地推动了这一领域的进展。

图2 欧洲核子中心的大型正负电子对撞机(LEP，左)与美国费米国家实验的质子—反质子对撞机(Tevatron，右)
大型正负电子对撞机坐落于瑞士与法国的边境地下约100 m深处，周长27 km。它于1989年至2000年之间产生正负电子对撞数据，并由其上的4个实验ALEPH、DELPHI、L3和OPAL采集分析。LEP的运行分为两个阶段，第一期运行期间质心系能量约在90 GeV(1 GeV=109 eV)，产生了大量的Z玻色子。通过在Z玻色子的衰变中寻找希格斯玻色子，实验粒子物理学家在95%的统计置信度(此后提到的排除区间都是对应95%统计置信度)上排除了希格斯玻色子质量小于58 GeV的区间[8]。此后LEP经过升级改造，在二期运行时质心系能量进一步提高，最终达到了209 GeV。利用这些在更高能量下采集的数据，科学家得以进一步探索希格斯玻色子可能存在的更高质量区间，最终排除了其在114 GeV以下的可能[9]。