形上集

找到了希格斯粒子之後

這個新粒子雖然看起來像是大家期待已久的希格斯玻色子,但還需要更多檢驗來證實。

撰文/高涌泉

形上集

找到了希格斯粒子之後

這個新粒子雖然看起來像是大家期待已久的希格斯玻色子,但還需要更多檢驗來證實。

撰文/高涌泉

大強子對撞機的兩個實驗團隊,超導環場探測器(ATLAS)與緊湊緲子螺管偵測器(CMS),7月4日在全世界高度注目之下,在日內瓦興奮地宣佈他們找到了一個質量約在125~126GeV左右的新粒子,出錯的機率在350萬分之一以下。全世界物理學家——尤其是在澳洲墨爾本參加第36屆國際高能物理會議的學者——透過網路直播見證了這個歷史性的時刻;希格斯本人及其他三位獨立提出「希格斯機制」的理論學家也受邀至日內瓦現場,成為記者關注焦點。ATLAS與CMS找到的這個粒子,每數兆次質子與質子碰撞才可能出現一次,它是玻色子(這種粒子所帶的自旋角動量為h/2π的整數倍,h為普朗克常數),其自旋最可能為零(不過自旋為2×h/2π的可能性尚未完全排除),即它是所謂的純量粒子。兩個團隊強調這個新粒子雖然看起來像是大家期待已久的希格斯玻色子,但是目前累積的數據還無法確認這一點。所以嚴謹一點說,本文題目應該是「找到了一個像是標準模型中的希格斯玻色子的粒子之後」,而就實驗而言,找到新粒子之後的首要工作當然就是確認這個粒子的性質。

一個粒子的性質是由質量、自旋以及它與其他粒子如何交互作用所決定的。例如在標準模型中,希格斯粒子是不帶電荷的中性粒子,它可以轉換成一對夸克與其反夸克(或W+與W-),而此對夸克反夸克又可以相互湮滅而產生出一對光子,因此標準希格斯粒子便可能衰變成兩個光子。由於我們能夠以理論推算出希格斯粒子衰變成雙光子的機率,所以只要測量出實際的機率,就可檢驗在這一項衰變上,新粒子是否和標準希格斯粒子相符。

上圖是7月4日CMS團隊發表的數據之一,縱軸代表的是質子碰撞之後雙光子出現的次數,橫軸代表雙光子的總質量。如果沒有希格斯粒子,我們應該記錄到虛線所呈現的次數,這時的雙光子產生自沒有涉及希格斯粒子的交互作用,這些雙光子即構成了所謂的「背景」;然而由紅色實線所呈現的實際次數卻與背景不同,兩者在125GeV附近有顯著的差異(實線在125GeV附近隆起),這意味著有個能夠衰變成雙光子的新粒子存在,其質量約為125GeV。請注意,實際的數據點並沒有完全落在實線(或虛線)之上,這種情況即是所謂的「漲落」,只有當數據點夠多,它們才會匯聚成一條平滑的曲線,我們也才能有效判斷實線與虛線的差距,也才能量得新粒子衰變成雙光子的真正機率。

除了雙光子衰變模式,標準希格斯粒子還可以直接衰變成兩個夸克,或兩個輕子,或間接衰變成四個輕子等。我們只有等待ATLAS與CMS進一步釐清所有衰變模式的真正機率,才能得知新粒子是否就是標準希格斯粒子。依據已有的數據,新粒子的性質大致與標準希格斯粒子相符,但是仍有某些差異,例如衰變成雙光子的機率就似乎稍微高了點。

不少理論學家對於新粒子很類似標準希格斯粒子有些失望,因為邏輯只告訴我們,類似「希格斯機制」的東西必須存在,以處理理論中的數學矛盾;但是在實踐「希格斯機制」的各種狀況中,邏輯並無法指明究竟哪一種會是實際情況。例如依邏輯,希格斯粒子可以不是純量基本粒子,而是由尚未發現的費米子所組成的組合粒子,現在這個更複雜的可能性已不存在了,老天還是選擇了較簡單的實踐方式!有些理論學家轉而期盼這個新粒子終究有別於標準希格斯粒子,或是任何其他違背標準模型的證據能夠在更高能量出現,否則我們就會困在標準模型裡了。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2012年第126期8月號】