希格斯玻色子发现简史(5)

图5 大型强子对撞机、ATLAS实验以及CMS实验示意图
希格斯玻色子的预期寿命仅有10-22 s，因此它在产生后就会立刻衰变到其他基本粒子。ATLAS与CMS探测器经过专门设计，善于捕捉并测量这些衰变产物，并用它们重建出希格斯玻色子。以LHC为代表的强子对撞机在产生希格斯玻色子的同时也会产生大量的本底，因此具体某个衰变道的敏感度不光取决于该道分支比的大小，也受本底高低的影响。在电弱精确测量数据预测的最有可能发现希格斯玻色子的质量区间内，LHC上最有物理潜力的衰变道主要有双光子(H→γγ)，双Z玻色子(H→ZZ)，双W玻色子(H→W W-)，正反陶子对(
)，以及正反底夸克对(
)。在这其中，H→γγ和H→ZZ衰变道尤其突出。它们可以以极高的分辨率重建出希格斯玻色子质量，在寻找希格斯玻色子的过程中扮演了关键角色。在更高质量区间，希格斯玻色子的衰变模式则主要由ZZ和W W-占主导。
LHC从2010年开始一期数据采集，初始对撞质心系能量为7 TeV。虽然仅达到设计值的一半，但依然远超过之前同类加速器的质心系能量，其亮度(每秒通过单位面积的粒子数，反映数据积累的快慢)也在世界前列。这两项优势能够让LHC以极快的速度产生潜在的希格斯玻色子。仅用2011年一年所采集的数据，LHC实验就已经直接排除了大部分质量区间，包括之前实验无法触及的高质量区域，将希格斯玻色子可能存在的区间基本锁定在了125 GeV附近的一个很小的窗口[17，18]。正是在这一窗口，ATLAS与CMS实验同时观测到了与希格斯玻色子符合的信号，其局域统计显著性达到3倍标准差左右，对应信号不存在的概率为千分之一。由于此次搜寻覆盖的质量范围很大(从110 GeV直到600 GeV)，为了得到严谨的结果，ATLAS与CMS的物理学家们在考虑了统计上的“别处看效应”(look-elsewhere effect)后下调了信号的显著性。

图6 2012年7月4日，ATLAS与CMS实验在欧洲核子中心宣布发现希格斯玻色子
在粒子物理实验中，为了确保结果可靠，宣布新粒子的发现需要满足极为苛刻的条件：信号的统计显著性必须要达到5倍标准差，也就是说信号不存在的可能性要远小于百万分之一(2.9×10-7)。因此要确立希格斯玻色子的发现，仅用LHC产生的2011年的数据还远远不够。从2012年起，LHC将质子—质子对撞的质心系能量进一步提高到了8 TeV，从而将希格斯玻色子在125 GeV附近的产率提高了30%左右。到2012年夏天，ATLAS与CMS在新的质心系能量下各自采集了超过2011年两倍多的对撞数据。通过联合分析7 TeV与8 TeV的数据，ATLAS与CMS实验终于在2012年7月4日宣布在5倍标准差的置信度上确立了一个质量在125 GeV左右的新粒子的发现[19，20](图6)。信号的显著性主要由γγ和ZZ衰变道贡献，如图7所示，可以看到当时确立发现的明显的共振峰。