终于看到希格斯玻色子衰变成底夸克

50 年前， Steven Weinberg 和Abdus Salam 分别提出了弱相互作用理论。传递弱相互作用的W和Z玻色子必须具有大质量才能解释弱力的短程性。为引入这些质量，Weinberg 和Salam 假定W和Z 玻色子通过与一种场相互作用而获得质量。这种场是Peter Higgs (希格斯)等早些时候提出的。“希格斯场”的存在意味着希格斯玻色子的存在，经过几十年的寻找，最终在强子对撞机LHC 上工作的ATLAS 和CMS合作组于2012 年在质子—质子对撞产生的碎片中发现了这种粒子。

这是粒子物理的胜利，也是新追求的开始：确定物理学家是否正确地了解希格斯玻色子与其他粒子的相互作用。

CMS 和ATLAS 合作组通过观测希格斯玻色子衰变成一对底夸克，证实了目前对这种相互作用认识的主要部分。

弱相互作用理论最终纳入粒子物理标准模型。希格斯机制是该理论的关键。不仅能解释W和Z 玻色子的质量，而且提供了解释基本费米子——夸克和带电轻子质量的方法。在标准模型中，费米子通过Yukawa 相互作用与希格斯场直接耦合，产生费米子的质量以及费米子与希格斯玻色子的耦合。

希格斯玻色子—费米子相互作用的强度与费米子的质量成正比，因此与最重的夸克——顶夸克相互作用最强。但是顶夸克比希格斯玻色子重，按照能量守恒要求，最可能发生的是衰变成一对底夸克(H→bb )。质子—质子碰撞直接产生大量底夸克对，在107的底夸克对中只有一对是希格斯玻色子衰变产生的。在如此高的本底中选出一个信号几乎不可能。因此，在CERN 寻找希格斯玻色子时，关注本底低一些的两个稀有衰变道：一道衰变成两个光子，一道经由Z 玻色子对衰变成4 个带电轻子，两个道的概率分别为2×10^-3和10^-4。

观测到这些稀有衰变足以宣称发现希格斯玻色子，但是并未提供希格斯玻色子与费米子耦合的直接证据。相继的实验，通过观测与顶夸克一同生成的希格斯玻色子，以及希格斯玻色子衰变成一对τ 轻子，证实了这种直接的耦合。

质子—质子碰撞有时产生1 个希格斯玻色子与1 个W 或Z 玻色子，称作VH 事件。选择这样产生的希格斯玻色子使本底降低到可接受程度。

为鉴别VH 事件，实验人员考虑到：W有时衰变成一个带电轻子和一个中微子，而Z 有时衰变成一对中微子或一对带电轻子。这些次级粒子作为VH 事件的标记。实验人员寻找带有这些标记的两个底夸克喷注。

基于VH 事件，CMS 观测到衰变，统计显著性为4.8 个标准偏差。而CMS还能从希格斯玻色子与其他粒子协同产生的事件推断出衰变。将这些结果结合，得到显著性为5.6 个标准偏差。超过了粒子物理对于宣称一项发现所要求的5 个标准偏差。ATLAS 采用类似方法，观测到显著性为5.4 个标准偏差的信号。

在CERN的ATLAS和CMS合作组观测到希格斯玻色子衰变成一对底夸克，这是希格斯玻色子最可几的衰变道

CMS 和ATLAS 还将所观察到的 事件数与标准模型的预期做了比较，为此定义了称为信号强度的比值。对于与VH 过程相关的H→bb 事件，CMS测量到的信号强度为1.01±0.22，证实了标准模型的预言。ATLAS得到几乎完全相同的结果。

所测量的希格斯玻色子与三种最重的费米子——顶夸克、底夸克和τ 轻子的耦合与标准模型预言一致，但是几乎没有关于希格斯玻色子与较轻的费米子耦合的实验信息。未来，LHC 以高亮度运行十年，可能将测量的不确定性缩小2 到4 倍。还可改进希格斯玻色子其他衰变道的灵敏度，或许还可能发现至今未知的希格斯玻色子稀有衰变模式。这些精确的测量将为标准模型提供严格的检验。甚至可能揭示出标准模型理论的重要缺陷。

(中国原子能科学研究院 周书华 编译自Howard E. Haber. Physics，September 17，2018)

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本文选自《物理》2018年第11期

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