找到了希格斯粒子之后

大型强子对撞机的两个实验团队，超导环场探测器(ATLAS)和紧凑型μ子螺旋管探测器(CMS)，在7月4日，在全世界的高度关注下，在日内瓦激动地宣布，他们发现了一个新粒子，质量约为125-126 GeV，误差概率小于350万分之一。全世界的物理学家，尤其是那些参加在澳大利亚墨尔本举行的第36届国际高能物理会议的物理学家，通过网络直播见证了这一历史性时刻。希格斯自己和另外三位独立提出“希格斯机制”的理论家也被邀请到日内瓦，成为记者们关注的焦点。ATLAS和CMS发现的粒子在质子与质子碰撞时每几万亿次才出现一次。它是玻色子(这个粒子的自旋角动量是h/2π的整数倍，H是普朗克常数)。它的自旋最有可能为零(尽管还没有完全排除自旋为2×h/2π的可能性)，也就是说，它是一个所谓的标量粒子。这两个团队强调，尽管新粒子看起来像期待已久的希格斯玻色子，但累积的数据无法证实这一点。因此，严格地说，这篇文章的主题应该是“在标准模型中发现像希格斯玻色子这样的粒子之后”，而在实验方面，发现新粒子之后的第一项工作当然是确认这个粒子的性质。

一个粒子的性质取决于它的质量、自旋以及它与其他粒子的相互作用。例如，在标准模型中，希格斯粒子是不带电荷的中性粒子，它可以被转换成一对夸克和它们的反夸克(或W+和W-)，而这一对夸克和反夸克可以相互湮灭产生一对光子，所以标准的希格斯粒子可以衰变为两个光子。因为我们可以从理论上计算希格斯粒子衰变为两个光子的概率，所以我们可以通过测量实际的概率来测试新粒子在这种衰变中是否与标准的希格斯粒子一致。上图是CMS团队7月4日发布的数据之一。纵轴表示质子碰撞后双光子出现的次数，横轴表示两个光子的总质量。如果没有希格斯粒子，我们应该记录虚线所示的次数。此时，这两个光子是由不涉及希格斯粒子的相互作用产生的。这两个光子构成了所谓的“背景”。然而，红色实线显示的实际次数与背景不同。两个接近125GeV的粒子之间存在显著差异(实线在125GeV附近凸出)，这意味着有一个质量约为125GeV的新粒子可以衰变为两个光子。请注意，实际数据点并不完全落在实线(或虚线)上。这就是所谓的“波动”。只有当有足够的数据点时，它们才能收敛成一条平滑的曲线。只有这样，我们才能有效地判断实线和虚线之间的区别，也才能获得新粒子衰变为两个光子的真实概率。除了双光子衰变模式，标准的希格斯粒子可以直接衰变为两个夸克，或者两个轻子，或者间接衰变为四个轻子，等等。在ATLAS和CMS进一步阐明所有衰变模式的真实概率之前，我们无法知道新粒子是否是标准的希格斯粒子。根据现有数据，新粒子的性质与标准希格斯粒子的性质大致一致，但仍有一些差异。例如，衰变为两个光子的概率似乎略高。许多理论家对新粒子与标准希格斯粒子非常相似感到失望，因为逻辑只告诉我们，必须存在类似“希格斯机制”的东西来处理理论上的数学矛盾。然而，在希格斯机制被付诸实践的各种情况中，逻辑不能表明哪一种是实际情况。例如，根据逻辑，希格斯粒子可能不是标量基本粒子，而是未被发现的费米子的组合。现在这种更复杂的可能性已经不存在了。上帝选择了一种更简单的修行方式！一些理论家预计，这种新粒子最终将不同于标准的希格斯粒子，或者任何其他违反标准模型的证据都能以更高的能量出现，否则我们将被困在标准模型中。