新加坡租房-愚人节的来历

陈国明

1. 大型强子对撞机
大型强子对撞机（Large Hadron Collider，简称
LHC）2010年3月开始运行，对撞能量为7TeV，这< br>是设计能量14

TeV的一半。瞬时亮度从10
27
cm
－
2
s
－
1
迅速上升，2010年底达到10
32
c m
－
2
s
－
1
，2011年底
达到10
3 3
cm
－
2
s
－
1
，积分亮度有5fb, 超过原来的预
期。LHC进入出成果阶段。
LHC设有4个对撞点，它们是ATLAS、AL ICE、
CMS和LHCb，其中ATLAS和CMS是其主要实验，
这两个实验的目标是寻找 希格斯（Higgs）粒子和其
他新的物理现象。本文主要介绍在ATLAS和CMS
实验上寻 找希格斯粒子的进展。由于本人参加了
CMS实验，因此对CMS的介绍会详细一些。
2. 希格斯粒子
根据标准模型，希格斯粒子是质量之源。
地球绕太阳旋转没有飞出去，是因为地 球和太
阳之间存在引力，而引力的起因是质量。地球上每
个物体都有质量，它们都能感受到地球 对它的引力。
然而质量的起源是什么？要厘清这一问题，可以先
看看物质的结构。 庄子说：“ 一尺之棰，日取其半，
万世不竭”，意思是说物质是无限可分的。依赖于实
验发展起来的现代物 理学告诉我们，任何物体都是
由分子构成，分子由原子构成，原子由原子核和绕
核旋转的电子构 成。而原子核由质子和中子构成，
质子和中子都由夸克和胶子组成。像夸克、胶子和
电子到现在 为止没有发现有更深层次的结构，因此
被称为基本粒子。已经知道有六种夸克，它们是
上（u） 、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）和顶（t）
夸克。有六种轻子，它们是电子（e）、缪子( μ)、陶
子(τ)、电子中微子（ν
e
）、缪子中微子（ν
μ
）和陶 子
中微子（ν
）。已经知道电子的直径小于10
－
19
τ
米 ，
·
26
·

就是说它可能是一个点粒子。其他的基本粒子也没
测到大于0的直径。实验中测到轻子和夸克都有质
量，但中微子的质量非常小。我们可以推测物 体有
质量是因为构成这些物体的基本粒子有质量。不过
实验也发现物体的质量并不等于构成这个 物体所有
基本粒子的质量之和。在研究核裂变中发现裂变出
来的两个碎片的质量和小于原来核子 的质量，不过
裂变过程放出了能量。其减小的质量（δM）和放出
的能量E之间满足爱因斯坦公 式：E=δMc
2
，这个能
量叫做结合能。原子弹就是根据这一原理造出来的。
因此物体质量的另一个来源是结合能。假设轻子和
夸克还能再分，那么有可能轻子和夸克的质量主要< br>来自结合能。不过到现在为止，我们还没有发现轻
子和夸克有下一层次的结构。
在日常 的世界中我们常见有两种相互作用力，
即万有引力和电磁力。在微观世界中还存在力程很
短的弱 相互作用力和强相互作用力。任何质量不为
0的粒子都参加引力相互作用，在基本粒子领域，
由 于其作用力相对于其他三种是如此之小，以致于
可以被忽略。这样轻子参加电磁相互作用和弱相互
作用，夸克则参加所有三种相互作用。除轻子和夸
克外还存在携带作用力的媒介粒子，它们是传递电< br>磁相互作用的光子γ，传递弱相互作用的Z
0
、W
＋
和
W－
以及传递强相互作用的胶子g。
科学家通过不停的探索形成了描述基本粒子及
其相互作用的标准模型。标准模型由描写电磁力和
弱力的电弱统一理论以及描写强力的量子色动力学组成。根据标准模型，轻子和夸克是不能再分的、
没有结构的基本粒子。希格斯粒子是质量之源，它
使传递弱相互作用的规范玻色子Z
0
、W
±
获得质量，
通过 与轻子和夸克的相互作用，也使轻子、夸克获
现代物理知识

得质量 。根据这一模型和大爆炸理论，我们的宇宙
起始于一次大爆炸，无数的正、反粒子同时产生，
轻 子和夸克通过与希格斯场的相互作用获得了质
量。这些粒子凝聚成物质，通过长时间的演化形成
了星系，从而有了地球，有了人类。如果没有质量
就没有引力作用，宇宙就不会是现在这样。因此希格斯粒子被称为“上帝”粒子。希格斯粒子是LHC
的首要物理目标。
不过在找到希格斯 粒子之前，它还只是一个传
说。实际上也存在与标准模型竞争的理论，比如超
对称理论，它可以 将电磁力、弱力和强力统一起来。
超弦理论可以将4种作用力都统一起来。在超对称
理论中存在 多种希格斯粒子，其性质和标准模型的
希格斯有很大不同。在超弦理论中则不存在希格斯
粒子。 如果轻子和夸克还能再分，则这些理论都是
不正确的，一切等待实验来检验。
3．标准模型
标准模型在提出的时候可以解释以往所有的实
验现象，并预言存在Z
0
、W< br>＋
、W
－
、H和g等5个
玻色子。结果Z
0
和W±
在欧洲核子中心的质子-反质
子对撞机上被找到，根据量子色动力学，胶子是不
自由的，但可以被夸克辐射出来，形成喷注。这样
的胶子（g）喷射也在丁肇中领导的Mark-J实验 中
被找到。根据标准模型，由Z
0
衰变的两个轻子是前
后不对称的，并且极化 也是不对称的。比如我们用
e
＋
、e
－
对撞产生Z
0
，然后由Z
0
衰变到另外两个轻子
μ
＋
、μ
－
， 由于动量守恒，μ
＋
、μ
－
一定是背对背的。
现在用一个垂直于束流 线的平面放在e
＋
、e
－
的对撞
点上，将e
＋
前进 方向的一半空间称为前向，另一半
称为后向，问μ
＋
是往前飞的多还是往后飞的多。如
果令A
FB
=(N
F
－N
B
) (N
F< br>+N
B
)，其中N
F
是μ
＋
往前飞的
事例数 ，N
B
则是向后飞的事例数。标准模型预言
A
FB
不为0，并且与温 伯格角
θ
w
有关。这一预言在欧
洲核子中心的LEP实验得到检验，并且由此 测出
sin
2
θ
w
=0.2302±0.0004。标准模型预言由 Z
0
衰变的两
个轻子，其极化不对称度也与温伯格角有关。实验
上可以测量极 化不对称度A
pol
=

(N
R
－N
L
) (N
R
+N
L
)，
其中N
R
表示由Z
0< br>衰变的右旋轻子，比如说τ
+
的事
例数，N
L
表示左旋轻子的 事例数。欧洲核子中心的
LEP实验测得A
pol
=－0.1540±0.0074± 0.0044，0.0074
是统计误差，0.0044位系统误差。特别神奇的是由
此推断的 sin
2
θ
w
值为0.2306±0.0011，与A
FB
的结果
24卷第1期 (总139期)
非常一致。因此在LEP实验中标准模型得到了精确
检验。实际上这样的精确检验还有多处，不一一列
举，到目前为止，世界上各个大型对撞实验都 未发
现与标准模型矛盾之处，因此标准模型取得了巨大
成功。唯一的遗憾是标准模型预言的希格 斯粒子至
今没有被发现，LEP给出其质量下限为114GeVc
2
。
在自然 单位制里，c =1，质量单位与能量单位相同，
可直接记为114

GeV。美国费 米实验室的Tevatron对
撞机发现了顶夸克t，但至今也未发现希格斯粒子。
在对宇宙 的观测中发现了标准模型不能解释的
事情。宇宙中存在大量像银河系这样的星系，对星
际物质的 运动速度的测量结果表明，星系中存在着
大量的暗物质，至今已测量的967个星系无一例外，
暗物质必须占整个星系物质的90%以上，否则这些
星系早已瓦解，因为外围星系物质的速度太快。图< br>1表示测量到的NGC3198星系的旋转线速度与离星
系中心的距离的关系。从可见的物质分布 可以推断
出一条下降的曲线，如图示“Disk”曲线。但我们
看到的实测旋转线速度随着距离 的增加并不下降，
这意味存在10倍于可见物质的暗物质。

图1 NGC3198星系的旋转线速度与离星系中心的距离的关系
Halo：晕，假设暗物质存在，并且10倍于可见物质时的
旋转线速度曲线；
Disk：银盘，从可见的物质分布可以推断出的曲线

另外引力透镜实验和威尔金 森微波各向异性探
测器（WMAP）实验结果都得出同样的结论。暗物
质到底是什么物质？行星 和恒星，星际尘埃，电离
气体，已死去的恒星，黑矮星，中子星黑洞等都是
暗物质，但这些是可 测算的。90%以上的暗物质是有
别于通常的重子物质的其他物质，是标准模型所不能
解释的。
·
27
·

超对称理论可以解释暗物质。超对称 理论将电
磁力、弱力和强力统一在一起。根据超对称理论，
所有粒子都有超对称伴子，其中最轻 的超对称粒子
“neutratino”是稳定粒子，有可能就是暗物质。但
在对撞机实验上至 今还未找到任何超对称伴子。如
果超对称是正确的话，这些超对称伴子以及
“neutrali no”可以在LHC实验中找到。
超弦理论认为存在超过4维时空的超维空间。
这一理论中的 “KK”粒子也可以解释为暗物质。根
据这个理论，两个质子相撞会产生迷你黑洞，然后
会马上 蒸发，产生大量喷注。迷你黑洞蒸发出来的
喷注有特点，一是数量大，二是4π立体角均匀分布。
如果超弦理论是正确的话，这样的迷你黑洞可以在
LHC实验中被找到。
综上所述，如果找 到了希格斯粒子，就是找到
了质量之源，证实了标准模型的正确性。如果排除
了希格斯粒子的存 在则证明标准模型是错误的，我
们所理解的宇宙需要另一种解析，这将引起一场物
理学的革命。
4. 希格斯粒子的寻找
LHC的质子-质子对撞实际上是部分子之间的
对撞（我们 将夸克和胶子统称为部分子），因为质子
由多个部分子构成，而被撞上的是其中的一个，其
余的 都是旁观者。旁观者碎裂成强子，保持其母质
子的运动方向，顺着束流管道跑掉了。两个对撞的
部分子发生相互作用，其末态粒子将偏离出束流管，
从而被探测器探测到。一般来说偏离的角度越大越< br>容易探测。绝大多数的末态粒子仍旧是胶子和夸克，
它们是不能自由的，在离开对撞点之前就碎裂 成大
量强子，形成喷注，有的末态是光子，或者Z
0
，或
者W
＋，或者W
－
加上喷注，还有的是轻子如电子、
μ子、τ子加喷注。在高能物理中像 喷注中的π、k等
强子，还有光子、电子、μ子都是长寿命粒子，而像
Z
0
、 W
±
和τ等都是短寿命粒子，它们没出束流管道
就衰变掉了，是没法直接探测的。短寿 命粒子最后
都衰变到长寿命粒子，飞出束流管，从而被探测器
捕捉到。这样对探测器的一个基本 要求是能区分这
些长寿命粒子：电子、μ子、光子、带电强子和中性
强子。末态中还有一种长寿 命粒子是中微子，但无
法探测，因为它们与物质几乎不相互作用。但我们
可以通过动量守恒原理 来确定动量丢失。要求x、y、
z三个方向的动量相加为0，因为两质子对撞，初始
·
28
·

的总动量是0。不为0的部分就是动量丢失。但由
于顺着 束流管跑掉的部分无法探测，我们将这个方
向设为z，可以探测的是x、y两个方向的动量丢失，
这两个方向的矢量和叫做横动量丢失。
CMS探测器如图2所示。总体上看是一个圆柱
体，长13 m，直径6 m。束流管是圆柱体的轴，其
直径6 cm，对撞点位于圆柱体的中心。

图2 CMS探测器剖面图

这样对撞产生的粒子，除顺着束流管跑掉的部
分，都能够被探 测到。围绕对撞点套嵌着各种子探
测器，由内到外，它们是硅像素（Si- Pixel）顶点探
测器，硅微条（Si-Strip）径迹探测器，钨酸铅晶体
电磁量能器， 黄铜闪烁体夹层强子量能器，超导螺
线圈，轭铁和μ子探测器。由于是套嵌结构，由对撞
点飞出 的粒子必须先通过内探测器才能到达外探测
器。强子量能器以内是探测器的心脏，但从外形尺
寸 来看，超导线圈、轭铁和μ子探测器是其主体，因
此称之为紧凑的μ子螺线圈（Compact Muon Sole-
noid），简称CMS。

ATLAS 探测器比CMS探测 器要大得多，同样
也有顶点探测器，径迹探测器，电磁量能器，强子量
能器和缪子探测器组成。 关于ATLAS探测器的详细
描述可以参阅本刊2008年第5期童国梁先生的文章。
CMS和ATLAS实验的首要物理目标都是寻找
希格斯粒子。希格斯质量小于114 GeV c
2
已经被
LEP实验排除。在LHC，希格斯主要由两个胶子熔
合产生，当 希格斯质量为120 GeVc
2
时，其产生截
面约为10 pb=10
－
35
cm
2
，其次是由W
＋
、W
－
或者Z

Z
熔合产生，W和Z由夸克辐射出来，其截面比胶子
熔合产生要低一个量级。在前面已经说过强子 的总
截面为10
－
25
cm
2
，因此希格斯的产生截面比强子要
现代物理知识

小10个量级，问题还不止于此，希格斯还要衰变。
当质量在120 GeVc
2
左右，希格斯主要衰变到b夸
克对，b夸克对碎裂成强子喷注，与普通强子事例很难区分。约有7%的几率衰变到 τ 轻子对，但τ
轻子也不是稳定粒子，它衰变到轻子加中微子 的几
率是35%，强子加中微子的几率是65%。希格斯也
可以直接衰到两个稳定粒子：γγ， 但衰变分支比只
有2%。尽管如此，当希格斯质量在120 GeVc
2
左
右 ，CMS主要通过τ轻子对和两光子的衰变道来寻
找希格斯粒子，其事例率比强子事例率要小12至13个量级。这就是说至少要在10
12
个事例中找出一
个希格斯粒子，就好比在 一大堆沙子中，有一颗是
金沙，需要找出来。
不过CMS和ATLAS在设计的时候考虑到了 这
些困难，目前建造完成的探测器有能力将希格斯粒
子找出来。以两光子末态为例，希格斯衰变 的两个
高能光子，记为H→γγ，能量全部沉积在电磁量能
器中，而强子的能量在电磁量能器中 沉积较小，由
此可以排除大部分强子事例。但问题的复杂性在于
胶子和夸克在碎裂时可以产生π
0
，π
0
在束流管道内
就衰变成两个光子，与希格斯衰变成的两个光 子不
同，希格斯衰变的两个光子张开角大，而π
0
衰变的
两个光子几乎靠在一 起，而能量也全部沉积在电磁
量能器中，容易被误判成一个光子。如果在一个强
子事例中有两个 这样的π
0
，就容易被误认为是希格
斯事例。但是强子事例中的π
0
是由胶子、夸克碎裂
出来的，必然伴随着同时碎裂出来的大量的其他强
子，形成喷注。而希格斯 衰变的两个光子都是孤立
的，根据这一特点，可以排除绝大部分含两个高能
π
0
的强子的事例。
对于H→γγ，还有无法抑制的本底，就是由正
反夸克对直接湮灭为两个光 子，这两个光子也是孤
立的。我们可以用两个光子的不变质量来区分。令
m
2
γγ

=（E
1
+E
2
）
2
－（p
1
+p
2
）
2
，
其中E
1
、p
1
为第一个光子的能量和动量，E
2
、p
2
则
为另一个光子的能动量 。这里采用自然单位制。根
据爱因斯坦的相对论，如果这两个光子是由希格斯
衰变而来，则m< br>γγ
就是希格斯粒子的质量。实际上光
子的质量为0，E
1
=P
1
，E
2
=P
2
，两光子的不变质量
平方可写成： m
2
γγ
=2（P
1
⋅P
2
－p
1< br>⋅p
2
）。
这样在m
γγ
的分布图上，由夸克对湮灭的双光子事例
24卷第1期 (总139期)
以及混入的强子事例形成连续谱，而H→γγ的事例
形成一个峰，峰的位置 就是希格斯的质量。如图3
所示。
本底的m
γγ
分布是一个线性下降的连续 谱，而由
希格斯衰变的m
γγ
在130 GeVc
2
处形成一个峰。 这
是由蒙特卡罗模拟得到的，模拟时假设希格斯的质
量为130 GeVc
2
。所以当我们发现了一个事例，其
中有两个高能光子，并不能说发现了希格斯粒子，
只有当m< br>γγ
的分布图上出现了一个显著的峰，才能说
发现了希格斯。
将图3中斜坡上 面凸起部分的事例数记为S，
而将凸起部分斜坡下面的事例数记为b，当S
b
≥
5时可以说发现了希格斯粒子。

图3 模拟希格斯质量为130GeV时两光子不变质量分布

当希格斯质量大于140 GeVc
2
，CMS将主要地
从H→W
＋
W
－
或H→Z
Z寻找希格斯。以H→ZZ为
例，每个Z玻色子可以衰变到正负μ子对，这样希
格斯最后衰变到两对μ子。在CMS μ子是最清晰的，
因为其他粒子都被阻挡在强子量能器以内。所以 该
道被称为发现希格斯的黄金道。即使如此该道也有
不可抑制的本底，那就是由正反夸克直接湮 灭到两
个Z玻色子。我们可以用4个μ子的不变质量区分，
由希格斯衰变的4个μ子的不变质量 形成一个峰，而
本底的4个μ子的不变质量则是连续分布。如果希格
斯的质量在130～160 GeVc
2
或大于190 GeVc
2
，从
该道寻找希格斯是最容易 的，而当希格斯质量在
160～190 GeVc
2
时，通过H→W
+
W
－
来寻找是最容
易的。
根据标准模型希格斯的质量与顶夸克质量和
·
29
·