作业帮如果证实希格斯玻色子的存在,有什么意义
来源：学生作业帮 编辑：拍题作业网作业帮 分类：语文作业 时间：2024/04/25 04:52:22
如果证实希格斯玻色子的存在,有什么意义
对人类社会或者科学技术有什么作用?
对人类社会或者科学技术有什么作用?
希格斯玻色子（英语：Higgs boson）是粒子物理学的标准模型所预言的一种基本粒子.标准模型预言了62种基本粒子,希格斯玻色子是最后一种有待被实验证实的粒子.[4]希格斯玻色子是因物理学者彼得·希格斯命名,由于对于基本粒子的基础性质扮演极为重要的角色,因此在大众传媒中又被称为“上帝粒子”.希格斯玻色子是一种具有质量的玻色子,[注 1]没有自旋,不带电荷,非常不稳定,在生成后会立刻衰变.
为什么有些基本粒子具有质量,而有些基本粒子的质量为零?标准模型的希格斯机制可以解释这问题.根据希格斯机制,希格斯场遍布于宇宙,有些基本粒子因为与希格斯场之间相互作用而获得质量,但同时也会出现副产品希格斯玻色子.希格斯场就像是一池黐黏的蜜糖,黏着于尚未带有质量的基本粒子.当这些粒子通过希格斯场的时候,会变成带质量粒子.
在粒子物理学里,标准模型是一种被广泛接受的框架,可以描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子.由于基本粒子和基本力形成了物理世界,所以,除了引力以外,标准模型可以合理解释这世界中的大多数物理现象.最初,标准模型所倚赖的规范场论禁止基本粒子拥有质量,这很明显地显示出初始模型不够完全.后来,物理学者研究出一种机制,能够利用对称性破缺来赋予基本粒子质量,同时又不会抵触到规范场论.这机制被称为希格斯机制.物理学者已完成很多实验,并确实侦测到这机制引发的许多种效应,但是他们不确切知道这机制到底是怎么一回事.
在所有解释质量起源的机制之中,希格斯机制是最简单、最被认可的一种.希格斯机制假定宇宙遍布著一种被称为称为希格斯场的特别的场,能够与某些基本粒子相互作用,这相互作用的一个必然副产品就是尚未被发现的希格斯玻色子.[注 3]假若希格斯玻色子被证实存在,则物理学者可以确定标准模型大致无误；否则,物理学者会转而关注别种无希格斯玻色子的机制.
标准模型明确指出,希格斯玻色子的存在很难证实.与其它粒子相比较,制造希格斯玻色子需要极大的碰撞能量,必须建造超级粒子加速器以提供这样大的能量.尽管这样做,每一次碰撞制造出其它粒子的可能性还是比制造出希格斯玻色子的可能性大很多.即使希格斯玻色子被制成,在非常短暂时间内它就会衰变成别的粒子,由于迅不及耳,难以直接侦测,只能靠着辨认与分析衰变后的产物来推断它们大概是从希格斯玻色子生成,而不是从其它来源生成.此外,很多其它衰变也会显示出类似的迹象,这使得寻找希格斯玻色子有如大海捞针.只有依靠先进的超级粒子加速器与精确的侦测器,物理学者才可观测数之不尽的粒子碰撞事件,将获得的纪录数据加以分析,寻找希格斯玻色子的蛛丝马迹,然后再进一步分析,计算希格斯玻色子存在的可能性,确定所得到的结果绝对不是来自偶发事件.
再华丽、再精致的理论,也需要通过实验加以证实,才会被正式接受,否则只会沦落天涯海角.物理学者很希望能够证实希格斯玻色子是否存在.但是,最初从实验得到的数据只能让他们判别希格斯玻色子是否可能存在于某个质量值域.为了弥补这不足,欧洲核子研究组织在瑞士建成了大型强子对撞机.它是全世界最先进的粒子加速器.它的主要研究目标之一就是证实希格斯玻色子是否存在.
经过数年努力,大型强子对撞机侦测到质量大约为125GeV的新玻色子,这新玻色子符合理论希格斯玻色子的质量与性质,但物理学者仍旧需要完成更多实验,才能够作定论.假若新玻色子真的是希格斯玻色子,物理学者就可以开始研究它的物理性质是否完全与标准模型现有版本的预测一致.已得到的实验数据并不排除新玻色子不是希格斯玻色子的可能性,或者是另一种带质量玻色子.假若新玻色子是另一种带质量玻色子,则标准模型势必会遭到大幅度修改.
希格斯玻色子的存在是希格斯机制的必然后果,是粒子物理学长久以来精心寻觅的对象,假若实验证实希格斯玻色子存在,则可给予希格斯机制极大的肯定,特别是对于为什么有些基本粒子具有质量这问题的解释,也可以确定标准模型基本无误.[注 2]有些理论不需要假定希格斯玻色子的存在.这些理论称为无希格斯模型.假若希格斯玻色子被证实不存在,则物理学者可能会转而关注这些理论.
2012年7月4日,欧洲核子研究组织（CERN）宣布,大型强子对撞机（LHC）的紧凑渺子线圈（CMS）探测到质量为125.3±0.6GeV的新玻色子（超过背景期望值4.9个标准差）,超导环场探测器（ATLAS）测量到质量为126.5GeV的新玻色子（5个标准差）.这两个粒子极像希格斯玻色子,但还有待物理学者进一步分析来完全确定两个探测器探测到的粒子是否为希格斯玻色子
基础术语
理论发展史
物理学者认为物质是由基本粒子组成的.1960年代初期,不少尚未证实的基本粒子逐渐被发现,很多关于基本粒子的理论也被提出,例如已被广泛接受的统一场论,但是物理学者知道这些理论并不完备,特别是这些理论无法解释为什么基本粒子会具有质量.这是一个很大的缺陷.
1962年,杰福瑞·戈德斯通（英语：Jeffrey Goldstone）提出戈德斯通定理.根据这定理,当连续对称性被自发破缺后必会副产出一种零质量玻色子,称为戈德斯通玻色子.带质量粒子比较难制成,粒子加速器必须使用很高的能量来碰撞制成带质量粒子.零质量粒子案例跟重质量粒子案例不同,零质量粒子很容易制成,或者可从缺失能量或动量推测其存在.然而,事实并非如此,物理学者无法找到其存在的任何蛛丝马迹.因此,戈德斯通定理似乎也否定了针对这缺口一些显而易见的解答.[9][10]
1963年,菲利普·安德森发表论文,指出类似戈德斯通玻色子的准粒子怎样出现在其它物理学领域,又尝试用超导体的理论来解释粒子物理学的问题.他猜测,假若用规范不变性理论来抵销戈德斯通理论的结果,戈德斯通玻色子问题应该可以迎刃而解.[11][12]1964年,分别有三组研究小组几乎同时地独立延伸发展出相对论性模型,其中,一组为弗朗索瓦·恩格勒（英语：François Englert）和罗伯特·布绕特（英语：Robert Brout）,[13]另一组为彼得·希格斯,[14]第三组为杰拉德·古拉尼、卡尔·哈庚和汤姆·基博尔.[15]古拉尼于1965年、[16]希格斯于1966年[17]又分别更进一步发表论文探讨这模型的性质.这些论文表明,假若将规范不变性理论与自发对称性破缺的概念以某种特别方式连结在一起,则规范玻色子必然会获得质量.1967年,史蒂文·温伯格与阿卜杜勒·萨拉姆首先应用希格斯机制来打破电弱对称性,并且表述希格斯机制怎样能够并入稍后成为标准模型一部分的谢尔登·格拉肖的电弱理论.[18][19][20]
六位物理学者分别发表的三篇论文,在《物理评论快报》50周年庆祝文献里被公认为里程碑论文.[21]2010年,他们又荣获理论粒子物理学樱井奖.[22]同年,在他们之间,又发生了一点争执,万一因此获得诺贝尔物理学奖,由于每一年只能授予给三位杰出人士,而现在有六位人士做出了关键贡献,到底应该颁发物理学最荣誉的奖给哪三位人士?
1964年6月,恩格勒团队发表了三页论文,他们指出,假定在量子真空里标量场的振福不等于零,则会引起自发对称性破缺,从而促使规范矢量场获得质量.由于电磁相互作用的光子与传递弱相互作用的胶子都是规范矢量场,这结果是统一弱相互作用与电磁相互作用的关键.稍后,希格斯独立发表论文概述怎样能够应用定域规范不变性来回避戈德斯通定理.[23]不久之后,希格斯发表第二篇论文,他将上述回避方法加以延伸应用于一种非常简单模型,借以描述规范矢量场怎样获得质量.在这篇论文里,希格斯给出后来知名为“希格斯玻色子”的假定量子的方程.[14]希格斯的1966年论文推导出希子的衰变机制；只有带质量玻色子可以衰变,假若找到衰变的迹象,就可以证实希子存在.[24]
古拉尼团队论文提到了恩格勒团队与希格斯分别独立于1964年发表的论文.这论文也推导出希子的存在,但是希格斯的希子具有质量,而古拉尼团队的希子不具有质量,这结果令人疑问两种希子是否相同.在2009年与2011年发表的两篇论文中,古拉尼解释,在古拉尼团队给出的模型里,取至最低阶近似,玻色子的质量为零,但是这质量的数值没有被任何理论限制；取至较高阶,玻色子可以获得质量；另外,只有古拉尼团队论文明白写出模型里没有零质量戈德斯通玻色子,这论文是唯一对于整个希格斯机制给出完整分析的论文.[25][26]
希格斯机制不但解释了规范玻色子怎样获得质量,还预测这些玻色子与标准模型的费米子之间的耦合.经过在大型电子正子对撞机（LEP）和史丹佛线性加速器（SLAC）做精密测量实验,很多预测都已经核对证实,因此确认大自然确实存在这一机制.[27]但物理学者仍旧不清楚希格斯机制到底是怎样发生,他们希望能从寻找希子所得到的结果获得一些这方面的证据.
本篇文章使用到一些名称相近的术语.这些术语涉及到很多重要与相关的概念.为了避免混淆不清,在这里特别对这些术语加以详细解释说明.
希格斯机制是某些粒子借着对称性破缺与规范不变性获得质量的机制.[注 3]这希格斯机制已被实验证实.[注 4]但是,物理学者仍旧不清楚关于希格斯机制的诸多细节.
希格斯场是假定遍布于宇宙的一种物理场.假若这希格斯场存在,则按照希格斯机制,某些粒子会因为与希格斯场相互作用而获得质量,但同时也会出现副产品希格斯玻色子.[注 3]假若能够找到希格斯玻色子,则可证实希格斯场存在,连带地确认希格斯机制与标准模型基本无误.
“希格斯玻色子”是伴随着希格斯场的带质量玻色子,是希格斯场的最小可能激发或量子.希格斯玻色子的寿命非常短暂,不能直接被侦测.2012年7月,已经有一个新玻色子被侦测为希格斯玻色子候选,但尚未通过全部测试,所以不能够论定这粒子是否为希格斯玻色子.
“希格斯势”决定希格斯场的物理行为与性质,是描述希格斯场的方程的关键项目.依希格斯势的函数形式,希格斯场会表现出特征的物理行为.物理学者并不清楚希格斯势之确切形式,所以描述希格斯场的方程只能说是一个合理猜测.
“希格斯区”是在粒子学模型里所有关于希格斯机制、希格斯场、希格斯玻色子、希格斯势的部分.[7][8]
本篇文章从下段落起,将希格斯玻色子简称为“希子”.
理论
量子力学的真空与普通想像中的真空有很大的不同.在量子力学里,真空并不是空无一物的空间,尽管假设空间里没有任何物质,虚粒子仍旧会不停的在各处生成与湮灭,因此会产生奥妙的量子涨落效应.将这些量子效应纳入考量之后,空间的最低能量态,才是量子力学的真空.
标准模型假定有一种场遍布于宇宙,称为希格斯场.为了满足定域规范不变性,必须有一个零质量规范矢量场跟希格斯场彼此相互作用.根据最简单的希格斯机制（阿贝尔希格斯机制）在最低能量态真空里,希格斯场的振幅不等于零,这会造成自发对称性破缺,生成带质量希子与零质量戈德斯通玻色子.选择适当的规范,可以使规范矢量场获得质量,又使这零质量戈德斯通玻色子消失,只存留带质量希子与带质量规范矢量场.在所有可以赋予规范玻色子质量,而同时又遵守规范理论的可能机制中,这是最简单的机制.以一句话概括,希格斯机制应用定域规范不变性与自发对称性破缺来赋予粒子质量.希格斯场就像是一池黐黏的蜜糖,黏着于尚未带有质量的基本粒子.当这些粒子通过希格斯场的时候,会变成带质量粒子.[9][5]
按照这最简单的阿贝尔希格斯机制,复值希格斯场（两个自由度）与零质量规范矢量场（横场,如同光子一样,具有两个自由度）被变换为带质量实值标量场（希子,一个自由度）与带质量规范矢量场（零质量戈德斯通玻色子变换为一个纵场,加上先前的横场,共有三个自由度）,自由度守恒.[28]
稍微复杂一点,但更实际一点,在最小标准模型（minimal standard model）里,有一个复值二重态（两个复值标量场,或四个实值标量场）,三个零质量规范矢量场（横场,如同光子一样,每个矢量场具有两个自由度）；一共有十个自由度.自发对称性破缺之后,每一个规范矢量场都会获得质量、同时添加一个纵场,总共有九个自由度,剩下的一个自由度是带质量标量场希子.三个带质量规范矢量场分别是带质量的W+、W-和Z玻色子.由于希子是由标量场表现,希子不具有自旋,也就没有内秉角动量.希子是自己的反粒子,具有CP-偶性.[29]
标准模型并没有预测希子的质量.[30]假若质量在115和180 GeV/c2之间,则能量尺度直到普朗克尺度（1019 GeV）上限,标准模型都有效.[31]基于标准模型的一些不令人满意的性质,许多理论学者认为后标准模型（英语：beyond the Standard Model）的崭新物理会出现于TeV能量尺度.[32]希子（或其他的电弱对称性破缺机制）能够具有的质量的尺度上限是1.4 TeV；超过此上限,标准模型变得不相容,因为对于某些散射过程违反了幺正性（英语：unitarity (physics)）.现今,学术界有超过一百种不同关于希格斯质量的理论预测.[33]
理论而言,希子的质量或许可以间接估计.在标准模型里,希子会造成一些间接效应.最值得注意的是,希格斯回路会造成W玻色子质量和Z玻色子质量的小额度修正.通过整体拟合从各个对撞机获得的精密电弱数据,可以估计希子的质量为94+29−24 GeV,或小于152 GeV,置信水平95%. [34][35]
希子可能会与前面提到的标准模型粒子相互作用,但也可能会与诡秘的大质量弱相互作用粒子相互作用,形成暗物质,这在近期天文物理学研究领域里,是很重要的论题.
另类模型
所有应用希格斯机制来解释质量问题的模型中,最小标准模型只设定了一个复值二重态希格斯场,是最简单的标准模型,具有最小的希格斯区.其它模型的希格斯区可能会被延伸成具有更多二重态或三重态.双希格斯二重态模型（two-Higgs-doublet models, 2HDM）设定了两个复值二重态希格斯场,是在所有非最小希格斯区中比较受到认可的模型,主要原因为[38]
在所有非最小希格斯区中,它是最小的模型.
它能够添加更多物理现象,例如,带电荷的希子.
它遵守标准模型的主要理论约束.
低能量超对称模型必须具有这种结构.
双希格斯二重态模型预言五重态（英语：quintet）标量粒子的存在：两个CP-偶性的中性希子h0、H0,一个CP-奇性的中性希子A0,和两个带电荷希子H+、H-.不同版本的2HDM与最小标准模型的分辨方法主要建立于它们的耦合常数与希格斯衰变的分支比都不相同.在模型I里,一个二重态能与所有种类的夸克耦合,另一个二重态则不能与任何夸克耦合.在模型II里,一个二重态能与上型夸克（up-type quark）耦合,另一个二重态则与下型夸克（down-type quark）耦合.[注 5][39]超对称模型（SUSY）是标准模型的一种延伸,属于2HDM模型II.在超对称模型中,最小超对称模型（英语：Minimal Supersymmetric Standard Model）（MSSM）的希格斯机制产生的希子数量最少.在最小标准模型里,希子质量基本而言是一个自由参数,只要小于TeV能量尺度就行.在MSSM里,最轻的CP-偶性的中性希子h0的质量上限大约为110-135 GeV.假若希子质量在125 GeV左右,则MSSM的模型参数会被强列约束.[40]
在艺彩理论（technicolor theory）里,两个强烈束缚的费米子所形成的粒子对扮演了希格斯场的角色.顶夸克凝聚理论（top quark condensate theory）提出希格斯场被顶夸克与反顶夸克共同组成的复合场替代的概念.有些模型完全不提供希格斯场,电弱对称性破缺是倚赖额外维度来达成.
实验探索
如同其它带质量粒子（例如,顶夸克、W及Z玻色子）的衰变行为,希子会在非常短暂时间内衰变成其它粒子,因此无法做实验直接观测到希子.但是,标准模型精确地预言所有可能衰变方式与其对应或然率,假若能够仔细检验碰撞的衰变产物,就可以追踪希子的生成与衰变.1980年代,随着不断发展的粒子加速器的建成,实验探索开始释出关于希子的讯息.
由于假定存在的希子的可能质量值域非常宽广,需要建造很多尖端设施来进行实验探索.这包括功能强大的粒子加速器、侦测.另外,还需要高功能电脑设施来处理与分析大量数据.所有可能质量都必须一个值域一个值域的仔细检验,逐渐缩紧探索范围.
实验探索的当前目标是找到可能是希子的粒子.假若能够找到这粒子,下一步是仔细研究其性质,查明是否与标准模型预言的希子性质相同.假若性质相同,则可以证实新粒子的确是希子；否则,可能是生成截面不同,或者是衰变分支比（branching ratio）不同,那么就必须将标准模型加以修正.
所有实验结果的置信水平都是使用信号置信水平（英语：CLs upper limits）方法计算求得.[43]假若侦测到可能为新粒子的事件数量超过背景数量,则称此为“超额事件”.任何发现新粒子的超额事件必需多过5个标准差才可算为正式发现.假若超额事件多过5个标准差,则侦测错误的机会是百万分之一.
希子的制造
粒子对撞机尝试通过碰撞两束高能量粒子的方式来制造希子.实际物理反应依使用的粒子与碰撞能量而定. [44][45][46][注 6]最常发生的反应为
胶子聚变：胶子是负责传递强相互作用的玻色子.它们把重子内部的夸克捆绑在一起.假若碰撞粒子为重子,例如,在Tevatron里的质子与反质子,或在LHC里的质子,则最有可能发生两个胶子（ ）碰撞在一起.制造希子最简单的方法就是两个胶子碰撞后,经过虚夸克圈而形成希子.由于希子与粒子的耦合跟粒子的质量成正比,粒子质量越大,聚变反应越容易发生.实际而言,只需要考虑虚顶夸克（ ）与虚底夸克（ ）的贡献,它们是质量最大的两种夸克.在Tevatron、LHC里,这是主要反应,比任何其它反应的发生次数多十倍以上.[44][45]
希子制动辐射：假若基本费米子（ ）与其反费米子（ ）相碰撞,例如夸克与反夸克相碰撞,或电子与正子相碰撞,则会形成一个虚W玻色子或虚Z玻色子,假若带有足够能量,则可能会发射出希子.在LEP里,这是主要反应,电子与正子相碰撞形成虚Z玻色子.在Tevatron里,这是第二主要反应.在LHC里,这是第三主要反应,因为是两束质子相碰撞,与Tevatron相比,LHC比较不容易制造夸克与反夸克相碰撞.[44][45][46]
弱玻色子聚变：两个夸克分别发射一个W玻色子或Z玻色子,然后以 或 方式合并形成一个中性希子.在LEP、LHC里,这是第二主要反应.例如,上夸克与下夸克分别发射 与 ,然后以 方式合并形成一个中性希子.[44][46]
顶夸克聚变：两个胶子（）分别衰变为两个顶夸克（ ）反顶夸克（ ）粒子对,然后 与 合并形成一个中性希子（ ）.这反应的发生次数很少（低过两个数量级）.
大型电子正子对撞机
在1989年大型电子正子对撞机（LEP）开始运作以前,实验探索只能在质量低于几个GeV的值域寻找希子.最初,LEP将电子与正子分别加速至45.5 GeV,质心能量大约为Z 玻色子的质量91 GeV.后来,又逐步增加能量,于2000年达到209 GeV.
兆电子伏特加速器
费米实验室的兆电子伏特加速器（Tevatron）将质子束与反质子束分别加速至980 GeV,在CDF侦测器和DØ侦测器里对撞,然后研究所有发生的物理现象,这包括寻找希子.在质量低于135 GeV值域,由于量子色动力学背景噪声太大,不能采用胶子聚变（ ）为侦测途径,最灵敏的侦测途径是通过希子制动辐射制成希子[48] [49]
、 ,
其中, 是质子.
希子、W玻色子或Z玻色子分别会衰变为
、 、 ；
其中, 是轻子, 是中微子.
借着W玻色子或Z玻色子的轻子衰变,可以滤除量子色动力学背景噪声,筛选出 讯号.
在希子与其它粒子之间,粒子的质量越大,则耦合越强.因此,在遵守质能守恒的前提下,它比较倾向于衰变为质量较大的粒子.在质量高于135 GeV值域,主要的衰变模态是
.
对于这种衰变模态,Tevatron是靠着希子制动辐射制造希子,另外,还靠着胶子聚变制造希子：
；
其中, 是胶子.
2010年1月,CDF实验团队和DØ实验团队宣布,所搜集到的数据足以排除希子的质量在162-166 GeV以内,置信水平95%.[50]同样实验团队于2010年7月表示,排除希子的质量在158-175 GeV以内,置信水平95%.[51] 2011年7月发表结果,延伸这排除值域至156-177 GeV,置信水平95%；另外,在值域125-155 GeV内,发现少许超额事件（大约1个标准差）.[52]
2011年12月22日,DØ实验团队发表有关最小超对称标准模型（Minimal Supersymmetric Standard Model, MSSM）希子的的最严限制：对于 90-300 GeV 希子质量,已设定产生MSSM希子的tanβ上限；特别是对于 180 GeV 以下的的希子质量,排除 tanβ>20-30.（tanβ是两个希格斯二重态真空期望值的比率）[53]
2012年7月2日,DØ与CDF实验团队宣布,进一布分析使他们更加有信心.他们排除希子的质量在100-103 GeV、147-180 GeV以内,置信水平95%.在能量115–140 GeV之间区域,超额事件的显著性差异现在定量为2.5个标准差,这对应于在550次事件中,有一次事件是归咎于统计涨落.这结果仍旧未能达到5个标准差,因此不能够作定论.
LEP主要是通过希子制动辐射制造希子与Z玻色子：[注 7][4]
；
其中, 、 、 、 分别是正子、电子、Z玻色子、希子.
假若质量低于135 GeV,希子最常衰变为底夸克反底夸克对,因此,LEP主要寻找的最终态拓扑为[34]
、
；
其中, 、 、 分别为费米子、底夸克、中微子,反粒子标记为上方加横杠的对应粒子符号.
到公元2000年为止,根据LEP所收集到的数据,标准模型希子的质量下限被设定为114.4 GeV,置信水平95%.这实验曾经侦测到一些特别值得注意的超额事件.这些事件可以被诠释为质量约为115 GeV（稍微大于下限截止值质量）的希子事件,可惜由于事件数量不够,无法做定论.[47]为了要建筑下一代对撞机LHC,于2000年,LEP停止运作.Tevatron与LHC仍旧继续这种缩小与排除可能值域的方法.
大型强子对撞机
大型强子对撞机（ LHC）与Tevatron都是重子对撞机,它们的运作性质很类似.重子对撞机所遇到的问题比LEP复杂.由于涉及到的质子是复合粒子,而不是单纯的电子和正子,重子对撞机要处理更多其它物理过程所造成的背景事件.
LHC可以将两个相互对撞的质子束分别加速至4 TeV,更高的能量可以观测到更多的物理现象.LHC主要是靠着胶子聚变制造希子：
；
其中, 是胶子.
前段所叙述的希子制动辐射（WH或ZH）也是重要机制,另外,还有弱玻色子聚变、顶夸克聚变.[56]
假若质量大于200 GeV,则希子主要会衰变为两个W玻色子或Z玻色子,这些规范玻色子又会轻子衰变：[56]
、 .
假若质量小于120 GeV,则希子主要的衰变途径为[56]
、 、 ；
其中, 是光子, 是涛子.
在这5种衰变管道之中,比较重要的是“双光子管道”（）和“四轻子管道”（ ）,从这些管道可以准确地测量出粒子质量.由于W玻色子会轻子衰变成一个轻子与对应的中微子,而中微子无法被侦测,所以, 管道的衰变轻子能量讯号比较宽广.[2]虽然 管道的截面很高,由于量子色动力学背景噪声也很高,必须特别处理伴随的W玻色子或Z玻色子衰变量据,才能观测到正确的 讯号.[56]
2008年9月10日,LHC正式开始调试运作.[57]9天后,在暖机过程时,发生磁体失超事件,[注 8]造成50多个超导磁铁被毁坏、真空系统被污染,使得完全运作被迫延迟14个月至2009年11月.工程师调查出肇因是磁铁与磁铁之间电接连缺陷,引起机械性损毁与氦气被释入LHC隧道.[58]修理耗费了几个月时间,电路缺陷侦测系统与快速失超控制系统的功能也被大幅度提升.[59]
自2010年3月30日开始3.5 TeV粒子束能量运作之后,LHC越加紧锣密鼓地进行数据搜集与分析.
为什么有些基本粒子具有质量,而有些基本粒子的质量为零?标准模型的希格斯机制可以解释这问题.根据希格斯机制,希格斯场遍布于宇宙,有些基本粒子因为与希格斯场之间相互作用而获得质量,但同时也会出现副产品希格斯玻色子.希格斯场就像是一池黐黏的蜜糖,黏着于尚未带有质量的基本粒子.当这些粒子通过希格斯场的时候,会变成带质量粒子.
在粒子物理学里,标准模型是一种被广泛接受的框架,可以描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子.由于基本粒子和基本力形成了物理世界,所以,除了引力以外,标准模型可以合理解释这世界中的大多数物理现象.最初,标准模型所倚赖的规范场论禁止基本粒子拥有质量,这很明显地显示出初始模型不够完全.后来,物理学者研究出一种机制,能够利用对称性破缺来赋予基本粒子质量,同时又不会抵触到规范场论.这机制被称为希格斯机制.物理学者已完成很多实验,并确实侦测到这机制引发的许多种效应,但是他们不确切知道这机制到底是怎么一回事.
在所有解释质量起源的机制之中,希格斯机制是最简单、最被认可的一种.希格斯机制假定宇宙遍布著一种被称为称为希格斯场的特别的场,能够与某些基本粒子相互作用,这相互作用的一个必然副产品就是尚未被发现的希格斯玻色子.[注 3]假若希格斯玻色子被证实存在,则物理学者可以确定标准模型大致无误；否则,物理学者会转而关注别种无希格斯玻色子的机制.
标准模型明确指出,希格斯玻色子的存在很难证实.与其它粒子相比较,制造希格斯玻色子需要极大的碰撞能量,必须建造超级粒子加速器以提供这样大的能量.尽管这样做,每一次碰撞制造出其它粒子的可能性还是比制造出希格斯玻色子的可能性大很多.即使希格斯玻色子被制成,在非常短暂时间内它就会衰变成别的粒子,由于迅不及耳,难以直接侦测,只能靠着辨认与分析衰变后的产物来推断它们大概是从希格斯玻色子生成,而不是从其它来源生成.此外,很多其它衰变也会显示出类似的迹象,这使得寻找希格斯玻色子有如大海捞针.只有依靠先进的超级粒子加速器与精确的侦测器,物理学者才可观测数之不尽的粒子碰撞事件,将获得的纪录数据加以分析,寻找希格斯玻色子的蛛丝马迹,然后再进一步分析,计算希格斯玻色子存在的可能性,确定所得到的结果绝对不是来自偶发事件.
再华丽、再精致的理论,也需要通过实验加以证实,才会被正式接受,否则只会沦落天涯海角.物理学者很希望能够证实希格斯玻色子是否存在.但是,最初从实验得到的数据只能让他们判别希格斯玻色子是否可能存在于某个质量值域.为了弥补这不足,欧洲核子研究组织在瑞士建成了大型强子对撞机.它是全世界最先进的粒子加速器.它的主要研究目标之一就是证实希格斯玻色子是否存在.
经过数年努力,大型强子对撞机侦测到质量大约为125GeV的新玻色子,这新玻色子符合理论希格斯玻色子的质量与性质,但物理学者仍旧需要完成更多实验,才能够作定论.假若新玻色子真的是希格斯玻色子,物理学者就可以开始研究它的物理性质是否完全与标准模型现有版本的预测一致.已得到的实验数据并不排除新玻色子不是希格斯玻色子的可能性,或者是另一种带质量玻色子.假若新玻色子是另一种带质量玻色子,则标准模型势必会遭到大幅度修改.
希格斯玻色子的存在是希格斯机制的必然后果,是粒子物理学长久以来精心寻觅的对象,假若实验证实希格斯玻色子存在,则可给予希格斯机制极大的肯定,特别是对于为什么有些基本粒子具有质量这问题的解释,也可以确定标准模型基本无误.[注 2]有些理论不需要假定希格斯玻色子的存在.这些理论称为无希格斯模型.假若希格斯玻色子被证实不存在,则物理学者可能会转而关注这些理论.
2012年7月4日,欧洲核子研究组织（CERN）宣布,大型强子对撞机（LHC）的紧凑渺子线圈（CMS）探测到质量为125.3±0.6GeV的新玻色子（超过背景期望值4.9个标准差）,超导环场探测器（ATLAS）测量到质量为126.5GeV的新玻色子（5个标准差）.这两个粒子极像希格斯玻色子,但还有待物理学者进一步分析来完全确定两个探测器探测到的粒子是否为希格斯玻色子
基础术语
理论发展史
物理学者认为物质是由基本粒子组成的.1960年代初期,不少尚未证实的基本粒子逐渐被发现,很多关于基本粒子的理论也被提出,例如已被广泛接受的统一场论,但是物理学者知道这些理论并不完备,特别是这些理论无法解释为什么基本粒子会具有质量.这是一个很大的缺陷.
1962年,杰福瑞·戈德斯通（英语：Jeffrey Goldstone）提出戈德斯通定理.根据这定理,当连续对称性被自发破缺后必会副产出一种零质量玻色子,称为戈德斯通玻色子.带质量粒子比较难制成,粒子加速器必须使用很高的能量来碰撞制成带质量粒子.零质量粒子案例跟重质量粒子案例不同,零质量粒子很容易制成,或者可从缺失能量或动量推测其存在.然而,事实并非如此,物理学者无法找到其存在的任何蛛丝马迹.因此,戈德斯通定理似乎也否定了针对这缺口一些显而易见的解答.[9][10]
1963年,菲利普·安德森发表论文,指出类似戈德斯通玻色子的准粒子怎样出现在其它物理学领域,又尝试用超导体的理论来解释粒子物理学的问题.他猜测,假若用规范不变性理论来抵销戈德斯通理论的结果,戈德斯通玻色子问题应该可以迎刃而解.[11][12]1964年,分别有三组研究小组几乎同时地独立延伸发展出相对论性模型,其中,一组为弗朗索瓦·恩格勒（英语：François Englert）和罗伯特·布绕特（英语：Robert Brout）,[13]另一组为彼得·希格斯,[14]第三组为杰拉德·古拉尼、卡尔·哈庚和汤姆·基博尔.[15]古拉尼于1965年、[16]希格斯于1966年[17]又分别更进一步发表论文探讨这模型的性质.这些论文表明,假若将规范不变性理论与自发对称性破缺的概念以某种特别方式连结在一起,则规范玻色子必然会获得质量.1967年,史蒂文·温伯格与阿卜杜勒·萨拉姆首先应用希格斯机制来打破电弱对称性,并且表述希格斯机制怎样能够并入稍后成为标准模型一部分的谢尔登·格拉肖的电弱理论.[18][19][20]
六位物理学者分别发表的三篇论文,在《物理评论快报》50周年庆祝文献里被公认为里程碑论文.[21]2010年,他们又荣获理论粒子物理学樱井奖.[22]同年,在他们之间,又发生了一点争执,万一因此获得诺贝尔物理学奖,由于每一年只能授予给三位杰出人士,而现在有六位人士做出了关键贡献,到底应该颁发物理学最荣誉的奖给哪三位人士?
1964年6月,恩格勒团队发表了三页论文,他们指出,假定在量子真空里标量场的振福不等于零,则会引起自发对称性破缺,从而促使规范矢量场获得质量.由于电磁相互作用的光子与传递弱相互作用的胶子都是规范矢量场,这结果是统一弱相互作用与电磁相互作用的关键.稍后,希格斯独立发表论文概述怎样能够应用定域规范不变性来回避戈德斯通定理.[23]不久之后,希格斯发表第二篇论文,他将上述回避方法加以延伸应用于一种非常简单模型,借以描述规范矢量场怎样获得质量.在这篇论文里,希格斯给出后来知名为“希格斯玻色子”的假定量子的方程.[14]希格斯的1966年论文推导出希子的衰变机制；只有带质量玻色子可以衰变,假若找到衰变的迹象,就可以证实希子存在.[24]
古拉尼团队论文提到了恩格勒团队与希格斯分别独立于1964年发表的论文.这论文也推导出希子的存在,但是希格斯的希子具有质量,而古拉尼团队的希子不具有质量,这结果令人疑问两种希子是否相同.在2009年与2011年发表的两篇论文中,古拉尼解释,在古拉尼团队给出的模型里,取至最低阶近似,玻色子的质量为零,但是这质量的数值没有被任何理论限制；取至较高阶,玻色子可以获得质量；另外,只有古拉尼团队论文明白写出模型里没有零质量戈德斯通玻色子,这论文是唯一对于整个希格斯机制给出完整分析的论文.[25][26]
希格斯机制不但解释了规范玻色子怎样获得质量,还预测这些玻色子与标准模型的费米子之间的耦合.经过在大型电子正子对撞机（LEP）和史丹佛线性加速器（SLAC）做精密测量实验,很多预测都已经核对证实,因此确认大自然确实存在这一机制.[27]但物理学者仍旧不清楚希格斯机制到底是怎样发生,他们希望能从寻找希子所得到的结果获得一些这方面的证据.
本篇文章使用到一些名称相近的术语.这些术语涉及到很多重要与相关的概念.为了避免混淆不清,在这里特别对这些术语加以详细解释说明.
希格斯机制是某些粒子借着对称性破缺与规范不变性获得质量的机制.[注 3]这希格斯机制已被实验证实.[注 4]但是,物理学者仍旧不清楚关于希格斯机制的诸多细节.
希格斯场是假定遍布于宇宙的一种物理场.假若这希格斯场存在,则按照希格斯机制,某些粒子会因为与希格斯场相互作用而获得质量,但同时也会出现副产品希格斯玻色子.[注 3]假若能够找到希格斯玻色子,则可证实希格斯场存在,连带地确认希格斯机制与标准模型基本无误.
“希格斯玻色子”是伴随着希格斯场的带质量玻色子,是希格斯场的最小可能激发或量子.希格斯玻色子的寿命非常短暂,不能直接被侦测.2012年7月,已经有一个新玻色子被侦测为希格斯玻色子候选,但尚未通过全部测试,所以不能够论定这粒子是否为希格斯玻色子.
“希格斯势”决定希格斯场的物理行为与性质,是描述希格斯场的方程的关键项目.依希格斯势的函数形式,希格斯场会表现出特征的物理行为.物理学者并不清楚希格斯势之确切形式,所以描述希格斯场的方程只能说是一个合理猜测.
“希格斯区”是在粒子学模型里所有关于希格斯机制、希格斯场、希格斯玻色子、希格斯势的部分.[7][8]
本篇文章从下段落起,将希格斯玻色子简称为“希子”.
理论
量子力学的真空与普通想像中的真空有很大的不同.在量子力学里,真空并不是空无一物的空间,尽管假设空间里没有任何物质,虚粒子仍旧会不停的在各处生成与湮灭,因此会产生奥妙的量子涨落效应.将这些量子效应纳入考量之后,空间的最低能量态,才是量子力学的真空.
标准模型假定有一种场遍布于宇宙,称为希格斯场.为了满足定域规范不变性,必须有一个零质量规范矢量场跟希格斯场彼此相互作用.根据最简单的希格斯机制（阿贝尔希格斯机制）在最低能量态真空里,希格斯场的振幅不等于零,这会造成自发对称性破缺,生成带质量希子与零质量戈德斯通玻色子.选择适当的规范,可以使规范矢量场获得质量,又使这零质量戈德斯通玻色子消失,只存留带质量希子与带质量规范矢量场.在所有可以赋予规范玻色子质量,而同时又遵守规范理论的可能机制中,这是最简单的机制.以一句话概括,希格斯机制应用定域规范不变性与自发对称性破缺来赋予粒子质量.希格斯场就像是一池黐黏的蜜糖,黏着于尚未带有质量的基本粒子.当这些粒子通过希格斯场的时候,会变成带质量粒子.[9][5]
按照这最简单的阿贝尔希格斯机制,复值希格斯场（两个自由度）与零质量规范矢量场（横场,如同光子一样,具有两个自由度）被变换为带质量实值标量场（希子,一个自由度）与带质量规范矢量场（零质量戈德斯通玻色子变换为一个纵场,加上先前的横场,共有三个自由度）,自由度守恒.[28]
稍微复杂一点,但更实际一点,在最小标准模型（minimal standard model）里,有一个复值二重态（两个复值标量场,或四个实值标量场）,三个零质量规范矢量场（横场,如同光子一样,每个矢量场具有两个自由度）；一共有十个自由度.自发对称性破缺之后,每一个规范矢量场都会获得质量、同时添加一个纵场,总共有九个自由度,剩下的一个自由度是带质量标量场希子.三个带质量规范矢量场分别是带质量的W+、W-和Z玻色子.由于希子是由标量场表现,希子不具有自旋,也就没有内秉角动量.希子是自己的反粒子,具有CP-偶性.[29]
标准模型并没有预测希子的质量.[30]假若质量在115和180 GeV/c2之间,则能量尺度直到普朗克尺度（1019 GeV）上限,标准模型都有效.[31]基于标准模型的一些不令人满意的性质,许多理论学者认为后标准模型（英语：beyond the Standard Model）的崭新物理会出现于TeV能量尺度.[32]希子（或其他的电弱对称性破缺机制）能够具有的质量的尺度上限是1.4 TeV；超过此上限,标准模型变得不相容,因为对于某些散射过程违反了幺正性（英语：unitarity (physics)）.现今,学术界有超过一百种不同关于希格斯质量的理论预测.[33]
理论而言,希子的质量或许可以间接估计.在标准模型里,希子会造成一些间接效应.最值得注意的是,希格斯回路会造成W玻色子质量和Z玻色子质量的小额度修正.通过整体拟合从各个对撞机获得的精密电弱数据,可以估计希子的质量为94+29−24 GeV,或小于152 GeV,置信水平95%. [34][35]
希子可能会与前面提到的标准模型粒子相互作用,但也可能会与诡秘的大质量弱相互作用粒子相互作用,形成暗物质,这在近期天文物理学研究领域里,是很重要的论题.
另类模型
所有应用希格斯机制来解释质量问题的模型中,最小标准模型只设定了一个复值二重态希格斯场,是最简单的标准模型,具有最小的希格斯区.其它模型的希格斯区可能会被延伸成具有更多二重态或三重态.双希格斯二重态模型（two-Higgs-doublet models, 2HDM）设定了两个复值二重态希格斯场,是在所有非最小希格斯区中比较受到认可的模型,主要原因为[38]
在所有非最小希格斯区中,它是最小的模型.
它能够添加更多物理现象,例如,带电荷的希子.
它遵守标准模型的主要理论约束.
低能量超对称模型必须具有这种结构.
双希格斯二重态模型预言五重态（英语：quintet）标量粒子的存在：两个CP-偶性的中性希子h0、H0,一个CP-奇性的中性希子A0,和两个带电荷希子H+、H-.不同版本的2HDM与最小标准模型的分辨方法主要建立于它们的耦合常数与希格斯衰变的分支比都不相同.在模型I里,一个二重态能与所有种类的夸克耦合,另一个二重态则不能与任何夸克耦合.在模型II里,一个二重态能与上型夸克（up-type quark）耦合,另一个二重态则与下型夸克（down-type quark）耦合.[注 5][39]超对称模型（SUSY）是标准模型的一种延伸,属于2HDM模型II.在超对称模型中,最小超对称模型（英语：Minimal Supersymmetric Standard Model）（MSSM）的希格斯机制产生的希子数量最少.在最小标准模型里,希子质量基本而言是一个自由参数,只要小于TeV能量尺度就行.在MSSM里,最轻的CP-偶性的中性希子h0的质量上限大约为110-135 GeV.假若希子质量在125 GeV左右,则MSSM的模型参数会被强列约束.[40]
在艺彩理论（technicolor theory）里,两个强烈束缚的费米子所形成的粒子对扮演了希格斯场的角色.顶夸克凝聚理论（top quark condensate theory）提出希格斯场被顶夸克与反顶夸克共同组成的复合场替代的概念.有些模型完全不提供希格斯场,电弱对称性破缺是倚赖额外维度来达成.
实验探索
如同其它带质量粒子（例如,顶夸克、W及Z玻色子）的衰变行为,希子会在非常短暂时间内衰变成其它粒子,因此无法做实验直接观测到希子.但是,标准模型精确地预言所有可能衰变方式与其对应或然率,假若能够仔细检验碰撞的衰变产物,就可以追踪希子的生成与衰变.1980年代,随着不断发展的粒子加速器的建成,实验探索开始释出关于希子的讯息.
由于假定存在的希子的可能质量值域非常宽广,需要建造很多尖端设施来进行实验探索.这包括功能强大的粒子加速器、侦测.另外,还需要高功能电脑设施来处理与分析大量数据.所有可能质量都必须一个值域一个值域的仔细检验,逐渐缩紧探索范围.
实验探索的当前目标是找到可能是希子的粒子.假若能够找到这粒子,下一步是仔细研究其性质,查明是否与标准模型预言的希子性质相同.假若性质相同,则可以证实新粒子的确是希子；否则,可能是生成截面不同,或者是衰变分支比（branching ratio）不同,那么就必须将标准模型加以修正.
所有实验结果的置信水平都是使用信号置信水平（英语：CLs upper limits）方法计算求得.[43]假若侦测到可能为新粒子的事件数量超过背景数量,则称此为“超额事件”.任何发现新粒子的超额事件必需多过5个标准差才可算为正式发现.假若超额事件多过5个标准差,则侦测错误的机会是百万分之一.
希子的制造
粒子对撞机尝试通过碰撞两束高能量粒子的方式来制造希子.实际物理反应依使用的粒子与碰撞能量而定. [44][45][46][注 6]最常发生的反应为
胶子聚变：胶子是负责传递强相互作用的玻色子.它们把重子内部的夸克捆绑在一起.假若碰撞粒子为重子,例如,在Tevatron里的质子与反质子,或在LHC里的质子,则最有可能发生两个胶子（ ）碰撞在一起.制造希子最简单的方法就是两个胶子碰撞后,经过虚夸克圈而形成希子.由于希子与粒子的耦合跟粒子的质量成正比,粒子质量越大,聚变反应越容易发生.实际而言,只需要考虑虚顶夸克（ ）与虚底夸克（ ）的贡献,它们是质量最大的两种夸克.在Tevatron、LHC里,这是主要反应,比任何其它反应的发生次数多十倍以上.[44][45]
希子制动辐射：假若基本费米子（ ）与其反费米子（ ）相碰撞,例如夸克与反夸克相碰撞,或电子与正子相碰撞,则会形成一个虚W玻色子或虚Z玻色子,假若带有足够能量,则可能会发射出希子.在LEP里,这是主要反应,电子与正子相碰撞形成虚Z玻色子.在Tevatron里,这是第二主要反应.在LHC里,这是第三主要反应,因为是两束质子相碰撞,与Tevatron相比,LHC比较不容易制造夸克与反夸克相碰撞.[44][45][46]
弱玻色子聚变：两个夸克分别发射一个W玻色子或Z玻色子,然后以 或 方式合并形成一个中性希子.在LEP、LHC里,这是第二主要反应.例如,上夸克与下夸克分别发射 与 ,然后以 方式合并形成一个中性希子.[44][46]
顶夸克聚变：两个胶子（）分别衰变为两个顶夸克（ ）反顶夸克（ ）粒子对,然后 与 合并形成一个中性希子（ ）.这反应的发生次数很少（低过两个数量级）.
大型电子正子对撞机
在1989年大型电子正子对撞机（LEP）开始运作以前,实验探索只能在质量低于几个GeV的值域寻找希子.最初,LEP将电子与正子分别加速至45.5 GeV,质心能量大约为Z 玻色子的质量91 GeV.后来,又逐步增加能量,于2000年达到209 GeV.
兆电子伏特加速器
费米实验室的兆电子伏特加速器（Tevatron）将质子束与反质子束分别加速至980 GeV,在CDF侦测器和DØ侦测器里对撞,然后研究所有发生的物理现象,这包括寻找希子.在质量低于135 GeV值域,由于量子色动力学背景噪声太大,不能采用胶子聚变（ ）为侦测途径,最灵敏的侦测途径是通过希子制动辐射制成希子[48] [49]
、 ,
其中, 是质子.
希子、W玻色子或Z玻色子分别会衰变为
、 、 ；
其中, 是轻子, 是中微子.
借着W玻色子或Z玻色子的轻子衰变,可以滤除量子色动力学背景噪声,筛选出 讯号.
在希子与其它粒子之间,粒子的质量越大,则耦合越强.因此,在遵守质能守恒的前提下,它比较倾向于衰变为质量较大的粒子.在质量高于135 GeV值域,主要的衰变模态是
.
对于这种衰变模态,Tevatron是靠着希子制动辐射制造希子,另外,还靠着胶子聚变制造希子：
；
其中, 是胶子.
2010年1月,CDF实验团队和DØ实验团队宣布,所搜集到的数据足以排除希子的质量在162-166 GeV以内,置信水平95%.[50]同样实验团队于2010年7月表示,排除希子的质量在158-175 GeV以内,置信水平95%.[51] 2011年7月发表结果,延伸这排除值域至156-177 GeV,置信水平95%；另外,在值域125-155 GeV内,发现少许超额事件（大约1个标准差）.[52]
2011年12月22日,DØ实验团队发表有关最小超对称标准模型（Minimal Supersymmetric Standard Model, MSSM）希子的的最严限制：对于 90-300 GeV 希子质量,已设定产生MSSM希子的tanβ上限；特别是对于 180 GeV 以下的的希子质量,排除 tanβ>20-30.（tanβ是两个希格斯二重态真空期望值的比率）[53]
2012年7月2日,DØ与CDF实验团队宣布,进一布分析使他们更加有信心.他们排除希子的质量在100-103 GeV、147-180 GeV以内,置信水平95%.在能量115–140 GeV之间区域,超额事件的显著性差异现在定量为2.5个标准差,这对应于在550次事件中,有一次事件是归咎于统计涨落.这结果仍旧未能达到5个标准差,因此不能够作定论.
LEP主要是通过希子制动辐射制造希子与Z玻色子：[注 7][4]
；
其中, 、 、 、 分别是正子、电子、Z玻色子、希子.
假若质量低于135 GeV,希子最常衰变为底夸克反底夸克对,因此,LEP主要寻找的最终态拓扑为[34]
、
；
其中, 、 、 分别为费米子、底夸克、中微子,反粒子标记为上方加横杠的对应粒子符号.
到公元2000年为止,根据LEP所收集到的数据,标准模型希子的质量下限被设定为114.4 GeV,置信水平95%.这实验曾经侦测到一些特别值得注意的超额事件.这些事件可以被诠释为质量约为115 GeV（稍微大于下限截止值质量）的希子事件,可惜由于事件数量不够,无法做定论.[47]为了要建筑下一代对撞机LHC,于2000年,LEP停止运作.Tevatron与LHC仍旧继续这种缩小与排除可能值域的方法.
大型强子对撞机
大型强子对撞机（ LHC）与Tevatron都是重子对撞机,它们的运作性质很类似.重子对撞机所遇到的问题比LEP复杂.由于涉及到的质子是复合粒子,而不是单纯的电子和正子,重子对撞机要处理更多其它物理过程所造成的背景事件.
LHC可以将两个相互对撞的质子束分别加速至4 TeV,更高的能量可以观测到更多的物理现象.LHC主要是靠着胶子聚变制造希子：
；
其中, 是胶子.
前段所叙述的希子制动辐射（WH或ZH）也是重要机制,另外,还有弱玻色子聚变、顶夸克聚变.[56]
假若质量大于200 GeV,则希子主要会衰变为两个W玻色子或Z玻色子,这些规范玻色子又会轻子衰变：[56]
、 .
假若质量小于120 GeV,则希子主要的衰变途径为[56]
、 、 ；
其中, 是光子, 是涛子.
在这5种衰变管道之中,比较重要的是“双光子管道”（）和“四轻子管道”（ ）,从这些管道可以准确地测量出粒子质量.由于W玻色子会轻子衰变成一个轻子与对应的中微子,而中微子无法被侦测,所以, 管道的衰变轻子能量讯号比较宽广.[2]虽然 管道的截面很高,由于量子色动力学背景噪声也很高,必须特别处理伴随的W玻色子或Z玻色子衰变量据,才能观测到正确的 讯号.[56]
2008年9月10日,LHC正式开始调试运作.[57]9天后,在暖机过程时,发生磁体失超事件,[注 8]造成50多个超导磁铁被毁坏、真空系统被污染,使得完全运作被迫延迟14个月至2009年11月.工程师调查出肇因是磁铁与磁铁之间电接连缺陷,引起机械性损毁与氦气被释入LHC隧道.[58]修理耗费了几个月时间,电路缺陷侦测系统与快速失超控制系统的功能也被大幅度提升.[59]
自2010年3月30日开始3.5 TeV粒子束能量运作之后,LHC越加紧锣密鼓地进行数据搜集与分析.