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实验证据的搜寻
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“希格斯”既指一个人、一个机制，又指一个公认的粒子。希格斯玻色子是标准模型缺少的关键环节。[66] 这是希格斯机制有望遗留的痕迹，我们希望通过大型强子对撞机实验可以发现它。它的发现将肯定其理论，并告诉我们希格斯场的确遍布真空。我们有很好的理由相信，希格斯机制在宇宙中是有效的，因为如果没有它，没有人知道如何可以构造一个可以给出基本粒子质量的合理理论 。我们也相信它的一些证据将很快在大型强子对撞机将要探索的能标上出现，而这个证据很可能就是希格斯玻色子。
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作为希格斯机制一部分的希格斯场，以及作为真实粒子的希格斯玻色子之间的关系非常微妙，这与电磁场和光子之间的关系相似。比如你可以从手中靠近冰箱的一块磁铁感觉到经典电磁场的效应，哪怕没有真实的物理光子被制造出来。经典希格斯场（甚至在没有量子效应时也存在的场）遍布真空并且取非零值，可以使粒子获得质量。但是即使在空间中没有真实粒子时，那个非零的场也存在。
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然而如果有一些东西给场“挠痒痒”，也即增加一点点能量，那么该能量在场中所产生的振动会导致粒子的产生。在电磁场中，可以产生的粒子是光子。而在希格斯场中，相应的粒子就是希格斯玻色子。希格斯场充满了真空，是电弱对称性破缺的原因。另一方面，希格斯玻色子从带有能量的希格斯场，例如大型强子对撞机中的希格斯场中产生出来。希格斯场存在的原因仅仅是基本粒子带有非零质量。大型强子对撞机中（或者任何其他来源）的希格斯玻色子的发现，将证实我们关于希格斯机制是粒子质量之源的信念。
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有时媒体称希格斯玻色子为“上帝粒子”，这名字令许多人觉得很好奇。记者热衷于此词的原因恰好是它能吸引人眼球，这也是物理学家利昂·莱德曼（Leon Lederman）率先使用它的原因。但这也只是一个名称而已。希格斯玻色子将会是一个卓越的发现，而不会成为一个空头名号。
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虽然也许下面的内容听起来太过理论化，但是，认为存在一种执行希格斯玻色子功能的新粒子的逻辑也非常合理。除了上面提到的理论缘由，含有非零质量粒子的标准模型理论的自洽性也要求这种新粒子存在。假设只有非零质量粒子作为基本理论的一部分，而没有希格斯机制来解释这些质量，那么本章前文提到的高能粒子的相互作用就是不合理的——甚至给出了概率超过1的荒谬结果。当然，我们不相信这样的预测。没有附加结构的标准模型是不完整的。因此引入附加的粒子和相互作用是唯一的解决方法。
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有着希格斯玻色子的理论优雅地避开了高能情形的问题。有了它的相互作用不仅改变了高能相互作用的预测，而且完全消除了高能情形的不良结果。当然这不是一种偶然，而是由希格斯机制保证的。虽然我们还不确切地知道我们所正确预言的真实希格斯机制在自然中的应用，但是物理学家相当地确信一种或者多种新粒子将在弱尺度[67] 上显现。
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基于这些考虑，我们知道无论由谁来挽救该理论，是新粒子也好，新的相互作用也好，它们都不能太重或者发生在太高的能标上。在缺失了附加粒子的情况下，荒谬的预测可能已经在大约1TeV的能标上产生了。因此不仅希格斯玻色子（或者其他起着相同作用的物质）必须存在，它还必须足够轻，让大型强子对撞机可以找到。[68] 更准确地说，除非希格斯玻色子的质量小于800GeV，标准模型将给出不可能正确的高能相互作用的预测。
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事实上，我们预期希格斯玻色子的质量远比那个值来得小。当前的理论倾向于认为希格斯玻色子的质量很小，绝大多数理论所给出的线索都指向同一个数值，其略微超过当前的质量阈值114GeV（20世纪90年代大型正负电子对撞机实验所发现的质量）。它曾是大型正负电子对撞机所能产生并探测的希格斯玻色子的质量上限，过去许多人认为他们可能正处在发现它的边缘。当今的多数物理学家预期希格斯玻色子质量仍然很接近那个数值，并且很可能不会超过140GeV。
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关于所预期的希格斯玻色子质量比较轻的最强论据来源于实验数据，不仅包括希格斯玻色子本身的搜寻，而且包括其他标准模型物理量的测量。标准模型的预测与测量结果惊人地相符，甚至小小的修正也会影响这种一致性。希格斯玻色子在标准模型中的贡献是通过量子效应体现的。如果它太重，这些效应就会太大，从而会破坏理论预测与实验结果之间的一致性 。
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量子力学告诉我们，虚粒子对任何相互作用都有贡献。虚粒子从任何初始的状态中产生或者湮灭，并且对总的相互作用有贡献。因此，即使许多标准模型的过程根本没有涉及希格斯玻色子，相互交换的希格斯玻色子也影响所有标准模型的预测，例如Z规范玻色子衰变成夸克和轻子的速率以及W与Z规范玻色子的质量比。希格斯玻色子对精密电弱（precision electroweak）测试的虚效应的大小依赖于它的质量。而结果是，只有在希格斯玻色子的质量不是那么大时这些预测才适用。
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第二个（并且更具推测性的）倾向于轻希格斯玻色子的原因与超对称理论相关。许多物理学家相信超对称在自然中存在，并且根据该理论，希格斯玻色子的质量与所测到的Z规范玻色子的质量相近，因此算是轻的。
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因此，假设希格斯玻色子质量不是很大，那么你可以合理地追问：为什么我们发现了标准模型中的几乎所有粒子，却还没有发现希格斯玻色子 ？该问题的答案在于希格斯玻色子的性质。即使一种粒子很轻，我们也可能看不见它，除非对撞机可以制造并探测它，能否这样做依赖于其性质。毕竟，一种根本不参与相互作用的粒子不管多么轻，都是永远也无法看到的。
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我们已经了解了很多希格斯玻色子相互作用的形式，因为尽管希格斯场和希格斯玻色子与其他基本粒子有着不同的实质，但其相互作用与它们的类似。因此，通过其他基本粒子的质量大小，我们可以知道希格斯场与它们的相互作用。又因为希格斯机制是基本粒子质量产生的原因，我们知道希格斯场和最重的粒子的相互作用最强。并且希格斯玻色子从该场中产生，我们也知道了粒子的相互作用。故此，希格斯玻色子（和场一样）与标准模型中最重粒子的相互作用最强。
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越强的相互作用发生在越重的粒子与希格斯玻色子之间，这表明如果你可以从越重的粒子出发，使它们对撞，那么你就越可能制造出希格斯玻色子。然而不巧的是，在希格斯玻色子的制造过程中，我们并不是从最重的粒子对撞开始的。考虑一下大型强子对撞机如何制造希格斯玻色子——或者任何可以产生它的粒子。大型强子对撞机对撞涉及较轻的粒子。它们较小的质量告诉我们希格斯玻色子的相互作用是多么微小，以至于如果没有其他粒子参与制造希格斯玻色子，那么其产生的概率将非常低，以至于任何我们迄今为止所造的探测器什么都探测不到。
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幸运的是，量子力学提出了另一种可能。粒子对撞机中希格斯玻色子的产生，有一个涉及重的虚粒子的微妙过程。当轻的夸克互相碰撞时，它们可以制造重的粒子，紧接着发射出一个希格斯玻色子。例如，轻夸克可以对撞产生一个虚W玻色子，该虚粒子接着发射出一个希格斯玻色子（这个产生模式见图16-1第一张图）。因为W玻色子远比质子中的上夸克或下夸克重得多，W玻色子与希格斯玻色子的作用相当大。当碰撞的质子足够多时，这种方式可以产生希格斯玻色子。
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图16-1 三种产生希格斯玻色子的模式，从上到下依次是：希格斯辐射、W-Z融合以及胶子-胶子融合。
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第二种希格斯玻色子产生的模式是：当夸克发射两个虚的弱规范玻色子时，它们接着碰撞出单一的希格斯玻色子（见图16-1第二张图）在这种情形下，当弱规范玻色子射出时，希格斯玻色子产生，同时两个与夸克相伴的喷射流散开射来。第二种与前一种模式的机制产生了希格斯玻色子以及其他粒子。在第一种情况下，希格斯玻色子产生于与规范玻色子相交的结点处。而后一种情况，这是大型强子对撞机更重要的一种模式，希格斯玻色子的产生伴随着喷射流。
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希格斯玻色子也可以单独产生。这发生在胶子的碰撞中，其产生一个顶夸克和一个反顶夸克，它们湮灭产生一个希格斯玻色子（见图16-1第三张图）。事实上，顶夸克与其反夸克都是虚夸克，因此存在的时间不长，但是量子力学告诉我们这个过程相当常见，因为顶夸克与希格斯玻色子的相互作用很强。这种模式的产生机制与前两种不同，它没有留下任何除了希格斯玻色子以外别的迹象，而希格斯玻色子接下来也衰变了。
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因此即使希格斯玻色子本身不必很重（它的质量可能与弱规范玻色子相当，并且比顶夸克的质量略小），重的粒子如规范玻色子或者顶夸克也可能参与到它的产生过程中。因此，高能碰撞（例如大型强子对撞机的那些）以及有着大量粒子碰撞比率的实验也一样，都可以帮助产生希格斯玻色子。
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即使产生比率很高，另一个影响希格斯玻色子观测的挑战，是它的衰变方式 。与其他重粒子一样，希格斯玻色子也是不稳定的。注意，发生衰变的是希格斯粒子而不是希格斯场。遍布真空的希格斯场给基本粒子提供质量，并且场不会消失。而希格斯玻色子是一种真实粒子，它是可以用来检验希格斯机制的一个实验结果。与其他粒子一样，它可以在对撞机中产生。并且与其他不稳定粒子相似，它不能永远存在。因为本质上来说衰变来得太快，所以唯一发现它的方法是寻找它的衰变产物。希格斯玻色子可以衰变成与它有相互作用的那些粒子，也即，所有可以通过希格斯机制得到质量的粒子，而且是那些质量足够小到可以从它产生的粒子。当一个粒子和它的反粒子从希格斯玻色子的衰变中产生时，每个粒子的质量必须都小于希格斯玻色子质量的一半，以确保能量可以守恒。鉴于这个要求，希格斯粒子首先衰变成它能产生的最重的粒子。问题是，这意味着相当轻的希格斯玻色子极少衰变成容易鉴定和观测的粒子。
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假如希格斯玻色子有违期待，质量不小，重于W玻色子的两倍（而是顶夸克质量的1/2）时，那么对它的搜寻将相当简单。实际上，希格斯玻色子就可以凭借其较大的质量总是衰变成W或者Z玻色子（衰变成一对W粒子，见图16-2）。实验物理学家知道如何检测剩下的W或者Z玻色子，因此发现希格斯玻色子并不难。
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