希格斯的产生与衰变通道(Higgs production and decay channels)
希格斯玻色子不是你能买来储存的东西;它必须在一场剧烈的碰撞中被现做出来,而且几乎在出现的那一瞬就崩解。所以研究希格斯意味着要弄清两个分开的问题:你如何制造一个(产生),以及它衰变时变成什么(衰变通道)?两者都受同一条规则支配——希格斯与最重的粒子说话最响——这使它的行为既错综又可预言,就像一位只与房间里最大牌的人交往的客人。
在产生这一侧,在大型强子对撞机上制造希格斯最常见的方式是「胶子融合」:来自对撞质子的两个胶子,经由一圈重的顶夸克,合并成一个希格斯。其他途径(比如两个W或Z玻色子融合,或希格斯与一个W、Z或一对顶夸克一同产生)更罕见,但给出更干净的实验标记。在衰变这一侧,一个125 GeV的希格斯有许多选项。它最常衰变成一对底夸克和反底夸克,因为底夸克很重、因而耦合很强;但那个通道淹没在背景噪声里。双光子通道和四轻子通道很罕见(双光子途径在每一千个希格斯玻色子里只发生几次),却极具辨识度,正是它们敲定了2012年的发现。希格斯进入每个选项的比例,叫做该通道的分支比。
这些通道正是详细检验希格斯的方式。通过测量希格斯被产生的频率、以及它沿每条路径衰变的频率,再与精确的标准模型预言相比较,物理学家就能检验这个粒子是否真的就是教科书里的希格斯。到目前为止,测得的速率在实验不确定度之内与预言相符,这是一个惊人的成功。诚实的前沿:一些罕见的通道(比如希格斯衰变成两个μ子,或它与自身的耦合)仍在测量中,或仍遥不可及,而任何偏差都可能是指向新物理的第一道裂缝。
粗略地说,在大型强子对撞机上每产生100个希格斯玻色子,大约58个衰变成底夸克,约21个衰变成W玻色子,少数衰变成τ轻子、Z玻色子和胶子,而只有约0.2个衰变成两个光子。然而正是那一小片双光子,因为极其干净,成了2012年揭示希格斯的两个通道之一。
希格斯多半衰变成底夸克,但发现它的,却是罕见而干净的双光子通道。
最常见的衰变并不是最容易被发现的:占主导的底夸克通道淹没在背景里,而罕见的双光子通道却很干净。「频繁」和「可探测」不是一回事。