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6 在沉默中迎接宇宙的真相（第1页）

6在沉默中迎接宇宙的真相

美好至极的礼物

日内瓦，2011年11月8日

我们把这段时间称为加速器的“奔跑”，也就是说，它开始运转工作了。已经过去几个星期了，加速器的项目成员每个人都感到惊奇。物理学家和工程师经过艰苦的工作，对大型强子对撞机进行了非常精准的微调。最近几周，一天之内，它们产生的碰撞次数超过了整个2010年。从夏天开始，大型强子对撞机开始像瑞士手表一样精确地运转。

整个2011年，加速器项目的工作人员都做得非常出色。现在，在每个质子束包中，有1500亿个质子在循环，这是一个让人担心的问题，因为在如此高的强度下，最轻微的事故对加速器来说都可能是灾难性的。

这就是为什么要仔细监视一切内容。保护程序日益完善，诊断中的每一个异常迹象，即使是最微不足道的，都要详细研究。我们花了几周，甚至几个月的时间，进行了持续的、细致的、有条理的工作。这些工作由一天天微小的改进组成，我们小心翼翼地尝试一点一点提高亮度，最终我们做到了。

整整一年，我问史蒂夫·迈尔斯索要5fb-1，他一直保持沉默。最后，他没有做任何宣布，也没有大吹大擂，给了我们6fb-1。这是我们梦想的目标，事实上，壮观的事件开始出现在我们的数据中。它们是我们一直期待的，它们聚集在低质量区域，是最难探索但也最有趣的区域。几个月来，参与分析的年轻人改进了搜索工具，提高了分辨率，提高了效率，并更好地理解了导致背景噪声的过程。我们现在可以看到这一非凡努力的成果。我逐个认识那些热情洋溢的年轻人，他们拖着分析小组不顾一切地工作。我和他们相处得很好，几乎每天都能见到他们。

11月8日是我的生日。就像许多希格斯工作小组一样，今天有一个会议，会议上提出了最新的结果。峰值是125GeV。没有什么特别的，但是有一些东西。就其本身而言，这样的事件过多毫无意义。但恰恰又是在同一处，另一组研究人员收集的情报中聚集了一小部分非常罕见的事件。

是它。

我感觉到了。我肯定。有些人仍然不明白。对于我们以狩猎、采集为生的祖先来说肯定也是如此。有人感觉到灌木丛后面有猎物。没有动静，没有声音，没有痕迹，但他精准地射出了箭并且知道箭会射中目标。

今天我知道，我是第一个知道希格斯玻色子真的存在的人。当我想到它的时候，我感到头晕目眩。多年来我们一直在寻找它，很多人都怀疑它的存在。最后它就在那里，在最明显的地方。它躲起来，以为自己安全了，但却被发现了！

几个月后，每个人都会知道，全世界都将庆祝科学的又一次成功。今天，我周围的年轻人是第一个把微弱信号分离出来的人。我和他们一起讨论，一片欢声笑语。没有提到发现，甚至没有提到希格斯玻色子，但在我们的眼中，有东西在闪闪发光。没有人会把自己太当回事，但我们知道自己做得很好，这足以让我们感到兴奋和快乐。他们给了我梦寐以求的最好的生日礼物。

玻色子猎人的加速过程

为了充分理解近几十年来最重要的发现之一的工作过程，有必要花几分钟试着扮演一下猎人的角色，权衡他的武器，了解他的技巧。

对希格斯玻色子的搜寻并不是盲目的。标准模型中一号的标识非常详细。它的特性和所有的生产过程众所周知。它能够预测有多少玻色子可以进入大型强子对撞机的碰撞过程中，以及它们可以衰变成哪些粒子。你寻找的是罕见事件，这并不会吓到你。我们习惯于大海捞针。事实上，准确地说，我们通常是在数百万个干草堆里寻找针叶。困难来自它会从根本上改变质量的事实，我们之前没有经验，所以搜索必须使用数百个不同的流程，每一个对应一个特定的质量假设。这就像是在寻找数百种不同的粒子。因此，要覆盖所有的可能性，需要几十个小组和数百名物理学家的工作也就不足为奇了。

首先，有必要考虑产生这种粒子的不同方法。在大型强子对撞机中，最常见的是两个胶子（强子的载流子）的融合，它们正面碰撞，相互湮灭，产生一个孤立的希格斯玻色子。我们还不遗余力地探索了其他不常见的机制，并且留下了非常有特色的痕迹。其中最有趣的是一个希格斯玻色子与一个W玻色子或者与一个Z玻色子一起形成的过程，以及一个希格斯玻色子因一对W玻色子或一对Z玻色子的湮灭而形成的过程。

于是就有必要考虑不同的衰变模式。在我们探索的范围内，从115～1000GeV，希格斯玻色子可以分解成W玻色子对和Z玻色子对。我们称之为两个衰变通道，这在所有的研究中都存在。在350GeV以上，衰变成成对的顶夸克也是可能的，但这需要一个极其罕见和困难的过程来检测。另一方面，在160GeV以下，会非常罕见地衰变为两个光子，并形成成对费米子：陶子和b夸克喷注（也被称为“底夸克”或“美夸克”）。

对于每一个特征，都必须考虑大量的辅助通道。例如，要研究希格斯粒子衰变成一对Z玻色子，我们可以有很多不同的组合，这取决于两个Z玻色子的衰变模式。回想一下，不仅希格斯粒子，W和Z玻色子也是不稳定的粒子，它们会立即分解成其他粒子。首先我们研究的案例之一Z玻色子可以衰变为两个μ子和另两个μ子，然后我们在第二个衰变的两个电子，或两个陶子，或两个中微子，或b夸克喷注中寻找。接着我们继续这种情况，第一个衰变成两个电子，第二个衰变成两个μ子，然后变成两个电子，等等。简而言之，要用这种方式回到希格斯粒子，就像“中国盒子”[23]一样，有必要识别其衰变产物的衰变产物。

一旦为给定的质量区域选择了特定的通道，就要寻找与玻色子存在相匹配的信号。这项研究从希格斯玻色子不存在的假设出发，并试图排除它的存在。如果在某个区域中未能做到这一点，则这是该物质以特定质量存在的第一个迹象。如果希格斯玻色子存在并且恰好具有那样的质量，那么要把寻找的信号特征相一致的事件数量与应该观测到的事件数量进行比较。因此，一个点接一个点，一个通道接一个通道，整个地区都被探索了。

收集5fb-1之前进行的所有模拟都告诉我们，有了这些数据，我们将有足够的灵敏度看到或排除115到数百GeV的希格斯玻色子。如前所述，115~150GeV之间的区域最复杂。如果希格斯玻色子隐藏在那里，最多只能观测到微弱的信号，这些信号很可能与背景交叉。我们必须把我们的力量集中在那个区域，不断努力改进分析，以利用所有可获得的衰减通道。

那里最重要的通道是所谓的玻色子，也就是希格斯粒子衰变成一对光子，W或Z玻色子的通道。对于一对W玻色子，识别相对简单，因为探测器可以识别出来自W玻色子衰变的电子和高能μ子的存在。问题是，还有许多与希格斯玻色子无关的其他过程，希格斯玻色子也会产生高能轻子对，它们隐藏了信号：将希格斯信号与W玻色子对产生的背景区别开来是一项非常复杂的工作。此外，对于这个通道，质量分辨率非常差。事实上，在W玻色子的轻子衰变过程中，会出现中微子，这些中微子对探测器来说是不可见的，它们逃逸并带走了衰变过程中的部分能量，因此，粒子的原始质量只能间接和近似地评估。总之，W玻色子对的衰变可能暗示了一些事情正在发生，但它不能为我们提供希格斯粒子存在的决定性证据。

为了确保找到希格斯粒子，信号必须出现在高分辨率的两个玻色子频道：两个光子的衰变和Z玻色子对中的一个衰变。大量的事件集中在定义明确的区域中，这些通道能够通过峰值的出现识别在质量分布中玻色子的存在。

希格斯粒子衰变为光子产生了壮观的事件。这两个高能光子在垂直于粒子束射线的平面上以相反的方向发射，很容易识别。紧凑渺子线圈量热计的分辨率很高，可以很好地测量它们的能量。如果它们来自希格斯玻色子，它们可以让你以1%~2%的精确度来确定粒子的质量，所有的信号累积起来形成一个极小的事件峰值。

不幸的是，即使在这种情况下，也有其他现象产生的事件与我们正在寻找的事件相同，并且隐藏了信号。构成背景噪声的事件比由希格斯玻色子引起的事件要多得多，它们的质量分布却非常不同。它们不形成峰，但以一种有规律的方式分布在各处，数量随着质量的增加而迅速减少。寻找希格斯玻色子意味着知道如何很好地测量这种背景分布，这样我们就可以确定我们正在寻找的峰值产生的每一个微小驼峰。

希格斯粒子衰变成Z玻色子对也产生了美妙的事件。在这种情况下，我们记录的数据中只有四个轻子出现。每个Z实际上会衰变成一对电子或介子，所以有三种不同的组合：四个电子，四个介子或两个电子和两个介子。用紧凑渺子线圈测量电子和介子的分辨率惊人。在这些事件中没有中微子，所有的能量都以1%~2%的精确度重建。换句话说，四个轻子所来自的希格斯玻色子的质量可以极其精确地重建出来，即使在这种情况下，玻色子的存在也会在质量分布中表现为一个峰值。与衰变成两个光子的情况相反，这里的背景噪声非常低。在标准模型中，很少有低于150GeV的事件产生四个轻子。不幸的是，由希格斯粒子引起的事件非常罕见。在2011年收集的所有统计数据中，我们预计只有两到三件是相关的：我们必须小心，不要失去任何一件相关事件，因为即使一项事件也可能产生影响。

费米子通道，即希格斯粒子衰变为两个底夸克或两个陶子的通道，要比其他通道复杂得多。这种情况发生的概率很高，但希格斯衰变几乎与大量正常的事件完全相同，这些正常的事件搅乱了报告罕见事件的信号，影响了判断。这种情况发生的概率很高。在发现希格斯粒子之后，如果我们想要确定是否存在异常，特别是与费米子的耦合是否完全符合标准模型的预测，那么这些衰变就必须加以研究，而且这将变得非常重要。

这就是我们发现的策略。在高质量区域，这些数据足以产生一个清晰可见的信号，以便将所有的衰减通道组合成W玻色子对和Z玻色子对。如果希格斯玻色子出现在低于150GeV的最困难区域，当我们在衰减通道中记录W玻色子和两个通道中的过量事件时，我们将获取它出现的第一个迹象。

光子和Z玻色子对中的一个，会在同一时间出现两个质量相同、明确的峰值。如果我们看到一个信号出现，就有必要检查它在不同衰减模式下的强度和成分是否与希格斯玻色子在相同质量下的预期一致。最后，统计数据必须考虑在内，因为我们观察到的每一个新结构都可能是构成背景噪声的已知现象的简单波动。我们确信，只有当信号如此强烈，以至于由简单统计波动产生的概率降低到不到百万分之一时，才会有新事物真正出现。在那之前，我们必须继续保持谨慎。

冷热交替的“苏格兰淋浴”

截至2011年6月，大型强子对撞机已经产生了超过1fb-1的数据。全年的目标已在首三个月达成。现在，统计数据让我们可以研究所有最有趣的通道，随着数据的积累，希格斯粒子隐藏在最高质量区域的可能性越来越小。在150~450GeV之间，我们现在已经达到了足以看到或排除希格斯粒子存在的灵敏度。在高质量的情况下，过量并不显著。我们所看到的一切都可以用标准模型的已知过程来解释：因此我们可以开始排除在150~200GeV和300~450GeV之间希格斯粒子的存在。在200~300GeV之间，在150GeV以下，在500GeV以上，我们仍然需要暂停判断，因为我们没有足够的灵敏度来确保论述。我们需要更多的数据。

尽管如此，在低于150GeV的情况下，似乎发生了一些有趣的事情。在2个W玻色子衰减通道中存在大量的事件，这引起了大家的惊讶和兴趣。事实上，在双光子或四轻子衰变通道中什么也没有出现，这使每个人都非常怀疑。但也没什么好说的，因为数据统计量仍然太低。

在一切检查完毕之后，7月我们将在格勒诺布尔举行的欧洲物理学会大会上展示第一个结果。我们检测到的过量并不显著，并且受较低分辨率衰减通道的控制。然而令人兴奋的是，超环面仪器也观察到了类似的东西。

就像紧凑渺子线圈的结果一样，超环面仪器的结果排除了希格斯粒子的质量在150~200GeV和300~450GeV之间的高质量区。它们在两个W玻色子通道和同一低质量区域也表现出过量，尽管这两种结果有很大的不同。科学界的兴趣如此之高，大众媒体的关注如此之强烈，以至于对新发现的期待在全世界传播开来，四处弥漫着一种非常乐观的气氛。然而，这种期望完全没有动力。我们试图用各种方式来解释它，无论是针对合作项目内部还是记者。现在还太早，我们还没有足够的灵敏度，我们必须等到有5个fb-1，即使是在低质量区域也能说出一些相关的信息。只有在高分辨率通道中出现某些信号时，我们才能谈论有希望得到希格斯玻色子的信号，但这种尝试并不太成功。报纸上的标题是：《希格斯玻色子：也许就在那里！》《在140GeV很多有趣的事件里可能隐藏着人们苦苦追寻的玻色子》。

所有这些炒作中唯一积极的一点是：现在很清楚，大型强子对撞机实验在寻找希格斯粒子方面处于领先地位。兆电子伏特加速器的科学家们在脖子上感受到了我们的呼吸。在巴黎出完风头的一年后，他们在格勒诺布尔展示的数据，已不再那么令人印象深刻。我们都知道，如果大型强子对撞机继续表现如此出色，他们则不可能在竞争中胜出。

在格勒诺布尔激动人心的事件后，过了几个星期，一切都在一瞬间消失了。故事始于超环面仪器，他们在分析中发现了一个小错误。为了在会议上发表报告而展开的竞争中，背景噪声声源之一被低估了。回想起来，曾经引起如此多关注的过量变得不那么明显了。然后，在分析新数据后，一切似乎都恢复了正常。事实上，大型强子对撞机并没有停止工作，在接下来的几个星期里，在两个实验中，140GeV左右的过量能量逐渐消失，直到几乎完全消失。

当我们8月在孟买的轻子光子会议上见面时，在印度季风的暴雨中，两个实验项目组只能忧郁地表明，一个月前给每个人留下深刻印象的低质量过剩，失去了意义。沉闷的季风抹去了所有残留的兴奋。我们的情绪就像坐过山车一样，但现在我们已经习惯了。

当我们从热情转向失望时，悲观情绪似乎占了上风。我们正在为最坏的情况做准备：大型强子对撞机里什么都没有，希格斯玻色子不存在。几乎每个人都相信，这也将是许多不成功的尝试之一。它将成为又一项大胆尝试飞上天空但没有成功的实验。你可以安慰自己说：“排除希格斯玻色子仍然是一个伟大的科学发现。”在物理学中，否定的结果也很重要，那些否定的结果排除了某个理论是正确的。没有找到一个预测的粒子不是失败；相反，它意味着对所有已知模型的进一步限制，它仍然促成了知识的进步，它推动我们把注意力集中在尚未被证伪的理论上，或者建立全新的理论。

然而，我们每个人都知道这可能会对大型强子对撞机产生严重的影响。不出所料，欧洲核子研究组织委员会立即授权一个小组准备了一份文件，解释排除希格斯玻色子在科学上的重要性。9月16日，一份初稿出来了，并且标题很奇怪：《希格斯玻色子可能被排除在114~600GeV的质量区域的科学意义以及最佳传播方式》。特别是最后这句话，让我们很多人感到困惑。显然，人们担心可能会出现政治上的挫折，担心一些国家会逃避未来雄心勃勃的加速器计划。或者，更糟糕的是，20个成员国中的一些国家减少了对欧洲核子研究组织的年度财政承诺，连带影响着其他国家也这样做。除了声明之外，在经济危机和政府部门裁员的几年里，给欧洲核子研究组织的这项年度贷款，仍然是固定金额的法郎，这显然不受一些政府和欧洲公众舆论的欢迎。