LHC上通过哪些衰变模式探测到了Higgs粒子?

标准模型中为物质粒子提供质量的Higgs粒子一直处于未发现状态。确实，很难相信一个如此精确的理论会在最根本的地方存在缺失。如果没有Higgs，我们将如何应对？

弱电统一自然是无法推翻的，于是问题就在于什么机制破缺了弱电统一而给予规范Boson和物质粒子质量。粗略而言，高能物理（hep）的专家将破缺机制分为“弱耦合破缺”和“强耦合破缺”，前者的代表就是Higgs机制，而后者的代表就是Technicolor。

在过去很长的时间里，高能物理学家都很强烈地相信Higgs机制，从那么多标准教程中也对于Higgs机制的详细描述和计算证明就可以看出。随着加速器探测能区的不断提高，这种信心在有些人心中被削弱了不少。在2001年，LEP2的质心能量达到209GeV时，实验中疑似出现了Higgs粒子，但是随后很快没有了后话，而且此时LEP2也开始拆卸，让出隧道给LHC，这个貌似回光返照的结果也迅速成为过眼云烟。

LEP作为轻子对撞机，运行方式为正负电子对撞，因为电子是基本粒子，质心能量“利用率”很高，如果考虑“Zh”协同制造模式，那么Higgs质量应该为质心能量减去Z粒子的能量（90 GeV）再减去5 GeV，那么LEP2的探测给出的Higgs能量下限为209-90-5=114 GeV，所以低于114 GeV的Higgs已经被实验排除。另外理论上的计算表明，如果Higgs质量过大，则Higgs自耦合常数将在某个低于Planck标度的能标下发散。

因此在95%的置信度上，Higgs质量要在114-200GeV之间。更高质量的Higgs也是可能存在的，直到1TeV（1000 GeV），而更低质量的Higgs已经被实验排除了。

现在的焦点在于如何在加速器上制造并确认出Higgs，然后再测量质量，产生截面，衰变宽度以及各种耦合常数。由于实际上最大的轻子对撞机LEP 早已拆卸而下一代轻子对撞机仍然处于理论设想之中，所以能够担任寻找Higgs的自然只有强子对撞机，美国Fermi国家实验室（Fermilab）的 Tevatron和欧洲核子中心（CERN）的LHC都属于此类，前者是正负质子对撞，已经运行了近20年，后者是质子与质子对撞，即将开始正式运行。

对于实验探测，粒子的产生横截面是极其重要的参数，QCD的NLO（Next Leading Order）辐射修正将使横截面大幅提高，进一步，NNLO（Next NLO）也将使横截面提高。更高阶的辐射修正和标度依赖性会导致一些不确定性，而部分子（parton）密度的差异也导致横截面产生不确定性。这些不确定性还直接依赖于Higgs的产生模式。

无论是Tevatron还是LHC，胶子聚变（gluon fusion）都是具有最大产生横截面和最大亮度的产生模式，其他产生模式有：矢量Boson聚变（Vector Bosons Fusion，VBF）模式，协同产生模式等。

gg-->h是Tevatron上事件最多的产生模式，这种模式适用于100-200 GeV的Higgs制造，产生横截面为 0.1-1pb,当Higgs质量不超过135 GeV时,衰变模式以正反底夸克(b,bbar)为主。但是这个衰变模式无法保证能够判断Higgs的存在，因为本底太大。

当Higgs质量大约为135-200 GeV之间时，衰变为WW*（W*代表虚W）。这种模式在Tevatron上是可行的观测模式。

在亮度足够时，协同产生模式对于135 GeV以下的Higgs是Tevatron上最有希望的探测模式：qqbar-->V*-->Vh-->Vbbar，最终V衰变为正反中微子或者正反轻子，或者轻子和中微子。该模式的产生横截面大约为0.2-0.5pb。VBF过程，顶夸克对以及其他QCD过程是这个模式的主要本底来源。

由于Tevatron对Higgs的探测可以达到大约180 GeV且几乎已经没有潜力继续提升探测能力，却仍未发现Higgs，无疑让一些人对Higgs的存在产生怀疑，而那些继续保持信心的人就将希望寄托在即将正式运行的LHC之上。

LHC上，胶子聚变模式，VBF以及顶夸克协同产生模式是主要产生模式。在运行的最初几年内，年积分亮度大约为30-100/pb，已足以在5σ 水平上发现质量小于1TeV的Higgs。因此如果存在Higgs，那么在LHC将没有任何逃脱探测的可能性。反之，如果LHC没有发现Higgs，那么 Higgs机制就彻底玩完。

胶子聚变在LHC上也是产生横截面最大的Higgs制造模式，质量为120 GeV时候，横截面为30pb，质量为200 GeV时，截面为15pb。远远超过Tevatron的同种模式。

LHC上，VBF的产生横截面大小仅次于胶子聚变模式。质量为120 GeV时候，横截面为6pb，质量为200 GeV时，截面为3pb。