[论文解读] A Historical Profile of the Higgs Boson

John Ellis, Mary K. Gaillard+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 58被引用 13

一句话总结

这篇历史综述追溯了希格斯玻色子从1964年提出到大型强子对撞机（LHC）发现前景的理论与实验发展。它详细阐述了自发对称性自发破缺与希格斯机制如何解决标准模型中的关键问题，并分析了来自LEP和Tevatron数据的约束，结论指出：若希格斯玻色子质量在115–127 GeV之间或高于600 GeV，则必须引入标准模型之外的新物理，其中超对称性是最具前景的候选者。

ABSTRACT

The Higgs boson was postulated in 1964, and phenomenological studies of its possible production and decays started in the early 1970s, followed by studies of its possible production in e+ e-, pbar p and pp collisions, in particular. Until recently, the most sensitive searches for the Higgs boson were at LEP between 1989 and 2000, which have been complemented by searches at the Fermilab Tevatron. The LHC has recently entered the hunt, excluding a Higgs boson over a large range of masses and revealing a tantalizing hint in the range 119 to 125 GeV, and there are good prospects that the existence or otherwise of the Higgs boson will soon be established. One of the most attractive possibilities is that the Higgs boson is accompanied by supersymmetry, though composite options have yet to be excluded. This article reviews some of the key historical developments in Higgs physics over the past half-century.

研究动机与目标

• 追溯希格斯玻色子从1964年提出到高能对撞机中实验搜索的理论发展历程。
• 分析来自精确电弱数据以及LEP和Tevatron实验搜索对希格斯玻色子质量的约束。
• 评估质量在115–127 GeV之间或高于600 GeV的希格斯玻色子对标准模型一致性及新物理需求的影响。
• 评估超对称性及其他理论框架在稳定电弱真空和调控希格斯自耦合方面的作用。
• 全面概述希格斯玻色子的唯象学特征及其作为新物理入口的潜在作用。

提出的方法

• 追溯自发对称性破缺从凝聚态物理到粒子物理的发展，特别是通过金兹堡-朗道理论和BCS理论。
• 通过复标量场φ的“墨西哥帽”势模型分析希格斯机制，其中真空期望值⟨|φ|⟩ ≠ 0导致自发对称性破缺。
• 应用戈尔登斯通定理表明：全局对称性破缺产生Nambu-Goldstone玻色子，而规范对称性破缺则导致有质量的矢量玻色子和一个物理的希格斯玻色子。
• 使用微扰重整化群方法研究希格斯自耦合λ的跑动行为及其在普朗克尺度下的稳定性。
• 利用精确电弱数据和LHC结果的约束，评估标准模型保持微扰性且真空稳定的尺度Λ的边界。
• 评估LHC数据在广泛质量范围内排除希格斯玻色子的后果，以及在119–125 GeV附近存在一个引人注目的信号，同时在轻希格斯与重希格斯情景下均需引入新物理。

实验结果

研究问题

• RQ1 自发对称性破缺的概念如何从超导性发展为标准模型中的希格斯机制？
• RQ2 来自LEP和Tevatron的实验约束如何限制希格斯玻色子可能的质量范围？
• RQ3 为何质量高于600 GeV的希格斯玻色子与标准模型不一致，除非引入新物理？
• RQ4 质量在115–127 GeV范围内的希格斯玻色子对电弱真空稳定性及新物理需求具有何种意义？
• RQ5 超对称性或其他新物理情景如何解决与希格斯玻色子相关的层次问题与真空稳定性问题？

主要发现

• 希格斯玻色子于1964年首次被提出，作为通过自发对称性破缺生成规范玻色子质量的机制，解决了电弱理论中的关键问题。
• LEP和Tevatron的实验搜索已排除了较广范围的希格斯玻色子质量，随后LHC进一步排除了高达530 GeV的质量，并在119–125 GeV附近发现一个引人注目的信号。
• 质量高于600 GeV的希格斯玻色子将需要引入新物理，以调和其与精确电弱数据的一致性，并防止高能下希格斯自耦合发散。
• 质量在115–127 GeV范围内的希格斯玻色子将因希格斯自耦合的负向跑动而引发真空不稳定性，必须引入新物理以稳定电弱真空。
• 在115–127 GeV范围内发现希格斯玻色子将与精确电弱数据一致，但仍需新物理（如超对称性）来稳定真空。
• 本文结论认为，无论希格斯玻色子是轻的还是重的，其发现都将标志着粒子物理学的新纪元，即‘AH’（希格斯纪年）的开启，新物理极有可能在TeV能标范围内出现。