higgs 粒子发现前的忐忑

现在是2011年10月25日， lhc 实验正在寻找 higgs 粒子，近几个月将会有初步结果出来，最终结果将会具有历史性意义，为此写下这段时间的忐忑心情。（此贴将不断更新）

我一直认为，higgs 粒子的质量是在（140-145）gev之间，而且粒子物理的标准模型完全正确，也就是说超对称之类的新物理不会在 lhc 上被发现。

higgs 中文翻译是希格斯或黑格斯。在7月份 grenoble 的欧洲物理学会高能会议上，atlas 和 cms 实验组报告了在143 gev 的标准模型 higgs 质量 m_h 的迹象，可是在随后8月孟买的轻子-光子会上，在有了更多数据后，该迹象变得模糊了。目前所有实验的总结果是：115 gev < m_h < 145 gev；标准模型的量子力学效应暗示 m_h 在80 gev 一百多也行。由于 higgs 迹象的不清，有人猜测或许 higgs 粒子不存在，或存在于最难找的地方如120 gev （那是超对称喜欢的）。现在 lhc 上找 higgs 的方法主要是看它衰变到两个 w 粒子（其中一个是虚的），然后 w 衰变到电子之类加上中微子。因为中微子不能直接测量，这种方法定出的质量范围会有较大误差。真正好的衰变模式是到两个 z 粒子，z 再衰变到电子之类，没有中微子，但是这个模式得数据量很少。有人在综合分析 atlas 和 cms 关于 h --> zz* --> 4 轻子的数据后，似乎仍有140 gev higgs 的迹象， 见：
http://blog.vixra.org/2011/09/18/higgs-days-at-santander/
当然我们还要等真正实验的结果。

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更新（11月6日）：大家都在期待本月14日在巴黎开始的强子对撞机物理-2011会议，在16日有关于标准模型 higgs 的实验报告，还有一个理论报告，该报告的题目是没有标准模型 higgs 的情况。这个安排引发猜测，是不是 cern 已经知道 lhc 什么结果了？标准模型 higgs 不对？甚至是 higgsless？我不认为这样。上周 "nature＂杂志有一则新闻关于 higgs，提到有分析 lhc 实验的人说 higgs 质量在120 gev。也有传言说有三轻子事例的超对称现象有信号出来。 最近在 arxiv 上有几篇超对称的理论文章，这几篇章文章都讨论 effective susy 做为新物理的可能性。

在超对称方面，我觉得 r-宇称破坏现在应该被认真考虑，信号应该是多喷驻加多轻子事例，没有大的丢失能量。这和所谓的 lepto-quark 的物理是一样的。

最后说一点儿 higgsless，很多人不知其为何物。technicolor 就是最简单的 higgsless 模型。

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更新（11月20日）：强子对撞机物理-2011会议关于 higgs 的报告推迟了一天，似乎是因为 opera 超光速中微子的实验，那个实验在时间测量的系统误差方面作了改进，重复实验，结果仍然超光速。我是不信的，“超光速”应该有其他原因，理论上也没有令人满意的解释。

关于标准模型 higgs，结果和我期望的相反。经过 cms 和 atlas 两个实验组对其在夏天的报告的数据（2.3 fb^{-1}）结合，higgs 的质量上限已经下到141 gev（95%的置信度）。我期望的（140-145）gev 区间快关闭了，有些失望。（如果以90%的置信度，上限就是132 gev，我的预期完全错误）。实验上仍看到一些信号超出，疑为 higgs 所造成，否则的话，其上限将是125 gev。

这次会议上 lhc-b 实验倒是有些新物理，d 介子衰变到 k+k-，pion+- 的 cp 破坏好像大于标准模型预期，3.5 sigma。我也不相信这会是真的新物理。

关于 higgs 的质量，还要等分析更多数据后的结果，这次结合的结果仅是基于轻子-光子会上结果用到的数据。现在 lhc 已经有5
fb^{-1} 的数据了。

下个月12-16号，cern council week 上，higgs 的结果应该有较大更新。有传言说两个实验组从 zz*-->4l 上一个没看到一个看到微弱地 higgs 的信号。现在有实验家说 higgs 质量是119 gev。

等吧。

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更新（12月2日）：higgs 的传言仍是以及120 gev 为主，也有说是没有迹象（听说参加 lhc 实验的人说 h-->2光子没有 higgs 的信号）。我喜欢的140 gev 甚至141 gev 仍然成为可能，见路透社报道：
http://www.reuters.com/article/2011/11/24/us-science-higgs-idUSTRE7AM2FF20111124
和 vixra 网站：
http://blog.vixra.org/2011/11/21/where-does-higgs-fit-best/

在理论家的眼里，目前的实验状态给出的信号因其偏见不同而不同。喜欢超对称的人看到了120，反对人择原理的人看不见140。141是高能标超对称的唯一预言（误差为1 gev），而高能标超对称就必然意味着要用人择的观念理解电弱能标。如果你既反对电弱标度的超对称，更反对人择原理的话，那你就会倾向于认为没有 higgs。

在本月13号，在 cern 的会议上将有关于 higgs 的新实验结果宣布，上午是 dg 的报告，内容是传达寻找 higgs 的情况，下午2:00是 atlas 和 cms 的正式报告，关于标准模型 higgs 的新结果。对应的北京时间大概是晚上11:00。

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更新（12月3日）：终于有传言出来：higgs 质量在125或126 gev，通过双光子过程看到，见 gibbs 的博客，
http://blog.vixra.org/2011/12/02/higgs-rumour-anaylsis-points-to-125-gev/
其主要点是从各方面看这个传言像是真的，因为 cern dg（总主任）说这次的结果仍将不是决定性的，如果是140 gev，数据量够应该能一锤定音，但是125处现在的数据量不足以有5个标准偏差的精度；而且140处能用 zz*-->4l 看的很清楚，而125处则不行，125处恰好只能用双光子。所以各种传言一致，但是这似乎和费米实验室 tevatron 上的实验不一致。

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更新（12月6日）：现在的传言是 atlas 的125 higgs 信号已经到达3.5标准偏差。

对于目前的传言，也是有疑点的：gibbs 在其博客上，还有一位叫 dude 的跟帖，还有同事 yq 都说过。那就是为什么2.3/fb 的数据没有信号，而5/fb 就有明显信号？数据只是多增大了一倍多。3.5个标准偏差是否太强了？我突然想起几个月前在北大听到从双光子道看见120多 gev 的 higgs，是 atlas 的一个小组分析的。记得 lep2 上的 aleph 曾分析出 higgs 质量为了115 gev。如果115不可靠，125就可靠？我当时问 tao 哥的看法，他嗤之以鼻地说，lhc 上的光子多极了，谁知道它们是哪里来的。

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更新（12月7日）：毕竟 cern 的 dg 说了这次还是不能给出 higgs 存在与否的结论性判定，那么 higgs 不存在对应什么样的理论？这里要分两种情况。一是 higgs 机制本身是错误的；二是 higgs 粒子非常重，现在看不到。

其实从一开始就有理论家探讨希格斯机制不对，而研究规范对称明显破缺的情况，以前吉林大学就有一位这样做的教授。这类探讨的主要理由之一是希格斯玻色子从来没有被观测到过。其实这是没有道理的，因为希格斯现象已经确实被看到了，在超导现象里。超导现象就是一种黑格斯机制：在超导体内由于声子的作用电子对儿束缚在一起成为一个玻色子，即库伯对。在足够低温，玻色子会发生凝聚，这样就在超导体内形成一个新的真空，这个真空破坏电磁对称性，因为库伯对带有两个电荷。电磁对称性自发破缺导致光子带有质量，光子就会衰变，如同 w 或 z 有质量要衰变一样。这样超导体内就没有电磁场，这就是迈斯纳效应，光子质量分之一就是超导体的表面穿透深度。库伯对就是黑格斯场。

所以，在自然界黑格斯机制的确发生过。那么为什么电弱对称性就不能自发破缺呢？这是一个很漂亮的思想啊！但问题是，在这种情形下什么是对应的声子场呢？一种答案就是由一种超强的新相互作用产生，这种超强相互作用使得一些费米子两两结合成对，导致类似于超导现象的电弱对称性自发破缺机制。这就是所谓的 techni-color 理论。在这个理论里，希格斯粒子质量约为600多 gev。这样的理论就是我上面说的第二种情况，即黑格斯粒子很重。

我老跟人说的一件事是，如果我学完了标准模型，但是别人都不告诉我标准模型之后所有的实验和理论进展，让我猜下一个阶段粒子物理的方向，我肯定会说是 techni-color。这是一个具体实现对称性自发破缺很漂亮的想法。

可惜的是，对标准模型的精确检验实验，并不倾向于 techni-color 理论。该理论本身也存在诸多问题，如费米子质量产生问题，特别是那么大的 top 夸克质量如何产生。在你不断涂改这个漂亮的模型时，你就发现你把美女改成张飞了。

即便不用新的相互作用产生动力学的电弱对称破缺机制， 我们也可以设想宇宙中存在一种（或多种）标量场，这些场导致电弱对称性自发破缺。至于这种场是怎么来的，可以留待以后讨论。比如在超对称理论里，玻色子和费米子相伴出现，玻色子是基本的，本来就有，可以考虑用作黑格斯场。总之有了这样的任意性，黑格斯粒子可以轻下来。

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更新（12月8日）：在六十年代末，weinberg、salam 把 higgs 机制应用到电弱对称自发破缺时，higgs 场仅仅就是作为基本的标量场来用的，并不管它是怎么来的。在完整确立标准模型后，higgs 的根源问题才指引着大家走到现在。在那时，higgs 标量场其实是被看作某种有效场来看待的。这种做法是源于 j. goldstone。从凝聚态物理中借用过来（整体）对称性自发破缺的思想后，nambu 也是用类似于库伯对的想法讨论问题。在nambu 之后，goldstone 引入标量场有效地取代了库伯对，使得很多问题大为简化。这就是为什么有 nambu-goldstone 玻色子（甚至只被简称为 goldstone 玻色子）、nambu-goldstone 定理等术语。

前些天有些博客上热烈讨论 salam 该不该得诺贝尔奖的问题，似乎 weinberg 才是建立标准模型最主要的人。其实这种看法都是物理不好的人才会有的。在建立标准模型得过程中，最重要的思想、最重要的做法就是用杨振宁-mills规范对称原理来统一理解电磁相互作用和4费米子弱相互作用。这是极为不平凡的看法。这种看法只在当时极少的几个人头脑里才可能有：杨振宁、mills、julian schwinger、glashow、gell-mann。而真正有的只是 schwinger 和他的学生 glashow，后者后来写出了正确的电弱统一规范对称结构。我相信这也是 gell-mann 很推崇 glashow 的原因。（glashow 推崇的人是 andy cohen，不是现在普林斯顿或哈佛的人哦。cohen 做过 effective susy 和 little higgs 等。）weinberg 和 salam 的工作就是把 higgs 等人发现的自发对称破方法用于 glashow 的模型，这样整个理论-标准模型-就完整了（当时还是有反常哦）。当然 weinberg 功底深厚是量子场论的最大家之一，可能只有 witten 不比他差。话又说远了。

希格斯粒子也被叫做上帝粒子。

“上帝粒子”的叫法源于 leon m. lederman。他被认为是当代最好的高能实验物理学家，有好几项一流的工作，其中一项让他和同事们获诺贝尔奖。他写了一本非常值得一读的高能物理科普，就叫《上帝粒子》。这个名字容易令人误解，但是我觉得它或许有意味，它有终极的意思，即这是粒子物理能发现的最后一个粒子。（如果不久 lhc 上发现很多新粒子，那这个名字就确实不该叫。）

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更新（12月10日）：在 yahoo! 的新闻里有一则联合通讯社的文章，明确说这次新结果将把 higgs 的质量上限下移。我估计这个上限将变为 130 gev。很多人会认为这是 tev 超对称，对我则是难以理解的事，tev 超对称是如此难看。难道这个125会意味着更深的事情？

所谓 higgs 机制是指规范对称性自发破缺时，相应的整体对称性自发破缺产生的零质量标量粒子被矢量场吃掉，使得原本是零质量的矢量场在破缺后得到质量。这是 peter higgs 和 francois englert、robert brout 分别发现的在1964年发现的（后一组人不是按姓氏笔画排名的）。还有一组人：guralnik、hagen 和 kibble 稍后也有类似的工作。他们都是基于 nambu 关于整体对称性自发破缺的工作。这些都是在相对论量子场论框架下做的。在更早之前，anderson 关于超导的工作已经有了一样的物理结果，只不过是在非相对论的情况下。这些我在前几天说过。nambu 就是从 anderson 那里学的。令我奇怪的是，为什么 nambu 自己没有做出这个发现。这个机制可以不仅仅限于规范对称性自发破缺的研究，还可以用来讨论其它对称性的自发破缺。李政道先生就用这个机制首先提出 cp 自发破缺。

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更新（12年1月8日）：12月13日，atlas 和 cms 公布了结果：标准模型 higgs 质量范围只剩下：116-130 gev，有可能在125 gev（atlas 2.3、cms 1.9标准偏差）。

实验上如何理解以前的143 gev？按照 gibbs，未必是测错了或统计涨落，可能是因为 ww* 道的误差太大，造成一些误判所致。 理论上，如何理解这个125？我一直觉得困难。虽然标准模型仍然很好地成立，但这个质量既不是低能超对称，也不是高能超对称所能简单理解的。我想这还是意味着在不很高的能量标度会有新物理出现，根据稳定性要求应该在10^{11} gev 以下。

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更新（6月28日）：   十几天以前，我们知道在12年7月7日墨尔本的高能物理大会上，新的 higgs 实验结果将会被宣布。几天前，cern 宣布将在7月4日专门公布关于 higgs 粒子的最新结果。现在我听到的各种传言不尽一致，有的说125信号变弱了；也有说就在125的且有很强的信号；还有说 atlas 130的上限又被放松到135了；有的说一组已有5 sigma 的结果（正式发现），一组还是4 sigma；我从独立的两个渠道（国内和国外）听到说 atlas 信号很弱；还有说看到了 zz* 衰变道；cms 的今年新数据已有3.8 fb^{-1}，他们仍然看见125，而且双光子道似乎仍然高于标准模型预言；等等。这次将公布的结果应该仍然不是结论性的，因为还未有足够的数据，到年底积累的数据就足以判定125是否为标准模型的 higgs。

虽然有传言，但因为没有几个人真正看到新数据的完整结果，目前传言都是不可信的，比如 atlas 也有可能有很好的结果，只是保密与几个关键人手中。《纽约时报》有篇文章写得不错，

http://www.nytimes.com/2012/06/20/science/new-data-on-higgs-boson-is-shrouded-in-secrecy-at-cern.html?_r=1&hpw 

关于 higgs 机制的历史。englert 和 brout 的文章在先，higgs 本人的文章在后。前者文章的收到日期是64年6月24日，higgs 的文章收到是在7月份。我们知道 higgs 的文章曾被 phys. lett. b 拒稿，后来他转投 phys. rev. lett.，但那是后来的文章，不是这个第一篇。这件事我以前搞混了以为higgs 在先。另外 kibble 等人的文章的收到日期较晚，是在8月份。但是由于 higgs 对该工作的宣传，这个机制叫成 higgs 机制了。因此，鉴于 brout 已去世，2013年的诺贝尔奖将是 englert 和 higgs，我以为。

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更新（7月2日）：周一 tevatron 要先公布他们的最新 higgs 结果，估计就是对其以前的限又有所改进。

我认为，后天 cern 要公布的不是 higgs 的发现，而是4个标准偏差左右的证据。如果标准模型是对的，cern 目前的数据量还不足以发现 higgs 粒子。

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更新（7月3日）：现在 tevatron 公布了它的 higgs 质量的最终结果：在115--135之间，2.9个标准偏差，通过到b、b-bar 看到。

如果标准模型正确，明天 cms 和 atlas 公布的结果应该均不是发现，因为标准模型预言在现有数据量下，不应该看见十分明显的 higgs 的信号。

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更新（7月4日）：higgs 粒子发现了！！！

新粒子：

cms: 125.3 gev，4.9标准偏差；

atlas：126.5 gev，5.0标准偏差。

此粒子与标准模型中的 higgs 粒子基本相符。主要看了 higgs 粒子的两个衰变道：双光子，以及4轻子（通过zz*）。

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更新（7月5日）：higgs 粒子终于被发现了，根据本帖题目，我应该结束更新此帖了。在结束之前，我还要说几点。

第一，为什么前几天我说，如果标准模型正确，这次宣布的应该不是发现，可是这次宣布的就是发现，而且仍然符合标准模型？原因并不是新物理的效应所致，而是这次新分析的数据比我们预想的要多，多到了刚好可以看得清楚的程度。

第二，在 lhc 上，寻找质量为120 gev 左右的标准模型 higgs 粒子，主要靠双光子衰变道，这是一个量子（圈图）效应。吴丹迪和郑汉青（现北大教授）早在1990年就计算了这个衰变过程的 qcd 修正，他们对于这次寻找 higgs 粒子是有贡献的。祝贺一下hq！

第三，我记得 cms 在报告里，双光子的产生比标准模型预期的多一些，这里有新物理吗？

回到一开始。higgs 的质量不是140 gev，但却仍然是标准模型的 higgs。我的看法到底是对还是错？至于140，那是一个在对极高能物理（约10^{12} gev）做特别简单假设下的结果，有变到125 的余地；只要实验上没有看到新物理，我的看法就基本正确，即在我们实验能力所及的范围内没有新物理，更多讨论，以后有时间再说吧。