50 年前， Steven Weinberg 和Abdus Salam 分別提出了弱相互作用理論。傳遞弱相互作用的W和Z玻色子必須具有大品質才能解釋弱力的短程性。為引入這些品質，Weinberg 和Salam 假定W和Z 玻色子通過與一種場相互作用而獲得品質。這種場是Peter Higgs (希格斯)等早些時候提出的。“希格斯場”的存在意味著希格斯玻色子的存在，經過幾十年的尋找，最終在強子對撞機LHC 上工作的ATLAS 和CMS合作組於2012 年在質子—質子對撞產生的碎片中發現了這種粒子。
這是粒子物理的勝利，也是新追求的開始：確定物理學家是否正確地了解希格斯玻色子與其他粒子的相互作用。
CMS 和ATLAS 合作組通過觀測希格斯玻色子衰變成一對底誇克，證實了目前對這種相互作用認識的主要部分。
弱相互作用理論最終納入粒子物理標準模型。希格斯機制是該理論的關鍵。不僅能解釋W和Z 玻色子的品質，而且提供了解釋基本費米子——誇克和帶電輕子品質的方法。在標準模型中，費米子通過Yukawa 相互作用與希格斯場直接耦合，產生費米子的品質以及費米子與希格斯玻色子的耦合。
希格斯玻色子—費米子相互作用的強度與費米子的品質成正比，因此與最重的誇克——頂誇克相互作用最強。但是頂誇克比希格斯玻色子重，按照能量守恆要求，最可能發生的是衰變成一對底誇克(H→bb )。質子—質子碰撞直接產生大量底誇克對，在107的底誇克對中只有一對是希格斯玻色子衰變產生的。在如此高的本底中選出一個信號幾乎不可能。因此，在CERN 尋找希格斯玻色子時，關注本底低一些的兩個稀有衰變道：一道衰變成兩個光子，一道經由Z 玻色子對衰變成4 個帶電輕子，兩個道的概率分別為2×10-3和10-4。
觀測到這些稀有衰變足以宣稱發現希格斯玻色子，但是並未提供希格斯玻色子與費米子耦合的直接證據。相繼的實驗，通過觀測與頂誇克一同生成的希格斯玻色子，以及希格斯玻色子衰變成一對τ 輕子，證實了這種直接的耦合。
質子—質子碰撞有時產生1 個希格斯玻色子與1 個W 或Z 玻色子，稱作VH 事件。選擇這樣產生的希格斯玻色子使本底降低到可接受程度。
為鑒別VH 事件，實驗人員考慮到：W有時衰變成一個帶電輕子和一個中微子，而Z 有時衰變成一對中微子或一對帶電輕子。這些次級粒子作為VH 事件的標記。實驗人員尋找帶有這些標記的兩個底誇克噴注。
基於VH 事件，CMS 觀測到衰變，統計顯著性為4.8 個標準偏差。而CMS還能從希格斯玻色子與其他粒子協同產生的事件推斷出衰變。將這些結果結合，得到顯著性為5.6 個標準偏差。超過了粒子物理對於宣稱一項發現所要求的5 個標準偏差。ATLAS 採用類似方法，觀測到顯著性為5.4 個標準偏差的信號。
在CERN的ATLAS和CMS合作組觀測到希格斯玻色子衰變成一對底誇克，這是希格斯玻色子最可幾的衰變道
CMS 和ATLAS 還將所觀察到的事件數與標準模型的預期做了比較，為此定義了稱為信號強度的比值。對於與VH 過程相關的H→bb 事件，CMS測量到的信號強度為1.01±0.22，證實了標準模型的預言。ATLAS得到幾乎完全相同的結果。
所測量的希格斯玻色子與三種最重的費米子——頂誇克、底誇克和τ 輕子的耦合與標準模型預言一致，但是幾乎沒有關於希格斯玻色子與較輕的費米子耦合的實驗資訊。未來，LHC 以高亮度運行十年，可能將測量的不確定性縮小2 到4 倍。還可改進希格斯玻色子其他衰變道的靈敏度，或許還可能發現至今未知的希格斯玻色子稀有衰變模式。這些精確的測量將為標準模型提供嚴格的檢驗。甚至可能揭示出標準模型理論的重要缺陷。
(中國原子能科學研究院 周書華 編譯自Howard E. Haber. Physics，September 17，2018)
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本文選自《物理》2018年第11期
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