Tuesday, October 25, 2011

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。