3个问题:纪念希格斯玻色子发现10周年

今年7月4日是希格斯玻色子发现10周年。希格斯玻色子是人们长期寻找的粒子，它赋予所有基本粒子以质量。这个难以捉摸的粒子是粒子物理标准模型中缺失的最后一块，而标准模型是我们对宇宙最完整的模型。

2012年初夏，在世界上最大的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)中发现了希格斯粒子的迹象，该加速器由欧洲核子研究组织(CERN)运营。大型强子对撞机被设计成将数十亿个质子碰撞在一起，从而有机会产生希格斯玻色子和其他据预测在早期宇宙中产生的粒子。

在分析无数质子对质子碰撞的产物时，科学家在加速器的两个独立探测器ATLAS和CMS(紧凑型介子螺线管)中记录了类似希格斯粒子的信号。具体来说，研究小组观察到一种新粒子产生的迹象，然后衰变为两个光子，两个Z玻色子或两个W玻色子，这个新粒子很可能是希格斯玻色子。

6月15日，包括3000多名科学家在内的CMS合作团队公布了这一发现。7月4日，ATLAS和CMS向世界公布了各自的观测结果。50多名麻省理工学院的物理学家和学生对CMS实验做出了贡献，包括物理学教授克里斯托弗·鲍斯(Christoph Paus)，他是该实验组织寻找希格斯玻色子的两位主要研究者之一。

当LHC准备在7月5日以“Run 3”重新启动时，麻省理工学院新闻采访了保罗，讲述了物理学家在过去10年里对希格斯粒子的了解，以及他们希望通过接下来的大量粒子数据发现什么。

问:回顾过去，你记得在发现希格斯玻色子之前的哪些关键时刻?

答:我记得到2011年底，我们已经获得了大量的数据，有一些初步的迹象表明可能会发生一些事情，但还没有足够确凿的证据。每个人都清楚，我们正进入一项潜在发现的关键阶段。我们仍然想要改进我们的搜索，所以我们决定，我认为这是我们做的最重要的决定之一，我们必须消除偏见，也就是说，消除我们对信号可能出现的位置的了解。因为作为一名科学家，说“我知道答案”是危险的，这可能会在不知不觉中影响结果。所以，我们在协调小组共同做出了这个决定，我们要通过人们所说的“盲目”分析来消除这种偏见。这使得分析人员能够专注于技术方面，确保一切都是正确的，而不必担心他们所看到的内容会影响到他们。

然后，当然，必须有一个时刻，我们揭开数据的面纱，真正去看，希格斯粒子是否存在。大约在7月4日我们最终宣布发现的演讲前两周，在6月15日举行了一次会议，展示了对合作的分析和结果。最重要的分析结果是双光子分析。我的一个学生，Joshua Bendavid 13届博士，是这个分析的领头人，在会议的前一天晚上，只有他和团队里的另一个人被允许打开数据。他们一直工作到凌晨2点，终于按下了一个按钮，看看它长什么样。他们是CMS中第一个看到[希格斯玻色子]存在的人。我的另一个研究这个分析的学生，15岁的杨明明博士，在第二天下午向欧洲核子研究中心展示了这个研究的结果。这对我们所有人来说都是激动人心的时刻。房间里很热，而且充满了电。

这一发现的科学过程设计得非常好，执行得也很到位，我认为它可以作为人们应该如何进行这类搜索的蓝图。

问:自发现希格斯玻色子以来，科学家又了解了什么?

A:在我发现的时候，发生了一件我没有预料到的有趣的事情。虽然我们以前总是在谈论希格斯玻色子，但一旦我们看到了“窄峰”，我们就变得非常小心。我们怎么能确定它是希格斯玻色子而不是其他东西呢?它看起来确实像希格斯玻色子，但我们的视野相当模糊。在接下来的几年里，它可能被证明不是希格斯玻色子。但我们现在知道，有了这么多的数据，一切都完全符合希格斯玻色子的预测，所以我们不再把狭义共振称为类似希格斯的粒子，而是简单地称为希格斯玻色子。有一些里程碑事件确保了这就是我们所知的希格斯粒子。

最初的发现是基于希格斯玻色子衰变为两个光子，两个Z玻色子或两个W玻色子。这只是希格斯粒子能经历的衰变的一小部分。还有更多。希格斯玻色子衰变为一组特定粒子的数量，关键取决于它们的质量。这个特征对于确认我们确实在处理希格斯玻色子是至关重要的。

从那以后，我们发现希格斯玻色子不仅会衰变为玻色子，还会衰变为费米子，这一点并不明显，因为玻色子是力载体粒子，而费米子是物质粒子。第一个新的衰变是衰变到轻子，电子较重的兄弟姐妹。下一步是观测到希格斯玻色子衰变为b夸克，这是希格斯玻色子衰变为的最重的夸克。b夸克是下夸克最重的兄弟，下夸克是由质子和中子组成的，因此也包括我们周围所有的原子核。这两个费米子是标准模型中最重的费米子的一部分。就在最近，希格斯玻色子被观测到以预期的速率衰变为介子，介子是第二代，也就是更轻的一代的电荷轻子。同时，与最重的顶夸克建立了直接耦合，它与μ子的质量跨越了四个数量级，希格斯耦合在这一广泛范围内表现出了预期的行为。

问:随着大型强子对撞机(Large Hadron Collider)为新的“Run 3”(Run 3)做准备，你希望接下来发现什么?

Run 3可能会给我们一些关于希格斯玻色子自耦合的初步提示，这是一个非常有趣的问题。正如希格斯粒子与任何大质量粒子耦合一样，它也可以与自己耦合。不太可能有足够的数据来进行发现，但是这种耦合的第一次提示将非常令人兴奋，而且这与迄今为止所做的测试构成了根本不同的测试。

另一个有趣的方面是，更多的数据将有助于阐明希格斯玻色子是否可能是一个入口，并衰变到不可见的粒子，这些粒子可能是解释宇宙中暗物质之谜的候选粒子。这在我们的标准模型中是无法预测的，因此希格斯玻色子是冒名顶替者。

当然，我们希望将目前所做的所有测量加倍，看看它们是否继续符合我们的预期。

对于即将到来的大型强子对撞机(从2029年开始运行)的升级也是如此，我们称之为高亮度强子对撞机(HL-LHC)。在这个项目中，还将积累10个以上的事件，这对希格斯玻色子来说意味着我们将能够观察到它的自耦合。在遥远的未来，有一个未来圆形对撞机的计划，它最终可以测量希格斯玻色子的总衰变宽度，而不受其衰变模式的影响，这将是另一个重要的、非常精确的测试希格斯玻色子是否是冒名者的测试。

和其他优秀的物理学家一样，我希望我们能在标准模型的装甲上找到一个裂缝，到目前为止，标准模型的支撑太好了。有许多非常重要的观测，例如暗物质的性质，不能用标准模型来解释。我们未来的所有研究，从7月5日开始的Run 3到未来的FCC，将让我们进入完全未知的领域。新现象会突然出现，我喜欢乐观。