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图16-2 较重的希格斯玻色子将衰变成W规范玻色子。
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在这个相对较重的希格斯方案中，下一个最可能的衰变模式涉及底夸克与它的反粒子。然而衰变成底夸克及其反粒子的比率非常低，因为底夸克的质量比W规范玻色子小得多，所以它与希格斯玻色子的相互作用比W与希格斯玻色子的小得多。一个重得可以衰变成一对W玻色子的希格斯玻色子衰变成底夸克与反粒子对的概率低于1%；衰变成更轻粒子的概率就更低。因此，如果希格斯玻色子相当重（比我们想象得重），它就会衰变成弱规范玻色子。而这些衰变将很容易被人们看到。
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然而，正如前面暗示的，与实验数据相结合的标准模型的理论告诉我们：希格斯玻色子很可能轻到不能衰变成弱规范玻色子。在这种情况下，发生最多的衰变将会得到底夸克与它的反粒子（反底夸克）这一对粒子（见图16-3），而对这种衰变的观测是一个挑战。
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图16-3 较轻的希格斯玻色子将主要衰变成底夸克。
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其中一个问题是，当质子对撞时，产生了大量参与强相互作用的夸克和胶子。这些粒子极其容易与假想的希格斯玻色子衰变出来的极少量底夸克混淆。除此之外，大型强子对撞机将产生如此之多的顶夸克，它们衰变成底夸克时也将隐藏希格斯的信号。理论物理学家和实验物理学家努力探索，寻找控制希格斯衰变的末态底夸克-反底夸克的方法。即使这样，尽管这种衰变的发生概率最大，尽管理论物理学家和实验物理学家可能寻找到有效利用它的方法，它也可能不是最有希望被用来发现大型强子对撞机中希格斯玻色子的模式。
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因此，实验物理学家必须考察其他从希格斯玻色子衰变得来的末态，即使它们的发生概率较低。其中最有前途的候选者是τ子-反τ子对，或者光子对。τ子是三种带电轻子中最重的一种，并且它也是希格斯衰变可以得到的粒子中，是除了底夸克之外最重的粒子。衰变成光子对的比率低得多（希格斯玻色子只能通过量子力学虚效应衰变成光子），但是光子的观测相当容易。虽然这种模式很难，但是实验物理学家可以如此之好地探测光子的性质，一旦有足够多的希格斯玻色子衰变，那么他们将确实能分辨出哪些是由希格斯玻色子衰变得来的。
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事实上，因为希格斯粒子发现的重要性，紧凑μ子线圈实验和超环面仪器实验投入了复杂而细致的研究策略来发现光子与τ子，并且两个实验的探测器都以探测希格斯粒子为核心来构建。第13章介绍的电磁量能器被设计成可以精确地探测光子，而μ子探测器辅助记录更重的τ子的衰变。这两种模式的结合有望确立希格斯玻色子的存在性，而一旦有足够多的希格斯玻色子被检测到，我们就可以进而研究它的性质。
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产生与衰变都给希格斯玻色子的发现设置了极大的挑战。但是理论物理学家与实验物理学家以及大型强子对撞机本身必须能够面对这些挑战。物理学家希望在接下来的几年，我们可以欢声庆祝希格斯玻色子的发现，并了解更多它的性质。
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希格斯区，对撞出足够多的质子
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我们期望能尽快找到希格斯玻色子。从原则上看，它能在只有大型强子对撞机最初所预期能标的一半的第一轮运转中产生，因为这一能标级别对于产生该粒子来说已经足够。然而，我们看到希格斯玻色子从质子对撞中产生的概率很小。这就是说，只有当足够多质子发生碰撞——光度很高时，希格斯玻色子才能产生 。大型强子对撞机为了预备以目标能标运行将停机一年半，在此之前，计划发生的对撞数目很可能太小以至于不能产生足够多可以被探测到的希格斯玻色子。但是大型强子对撞机当时计划于2012年全年运行，它可能可以探测到隐藏的希格斯玻色子。当然，当大型强子对撞机以满负荷运转时，光度将足够高，那时搜寻希格斯玻色子将会是它的一个主要目标。
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假如我们已经很确信希格斯玻色子存在（并且如果探求太困难），这种搜寻看似有些多余。但它值得一试。首先，也是最重要的一个原因——理论预言只能带领我们到这里了 。许多人只相信通过观测验证的科学成果，这是非常合情合理的。希格斯玻色子非常不同于其他任何已经被发现的粒子。它将是观测到的唯一的基本标量粒子（scalar）。与夸克和规范玻色子不同，标量粒子的自旋为零，也就是说，当你转动或者推动体系时，它保持不变。目前所观测到的自旋为零的粒子都是许多自旋非零粒子（诸如夸克）的束缚态。我们不确定希格斯标量粒子是否存在，除非它出现并在探测器中留下可见证据。
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其次，即便我们发现了希格斯玻色子、确信了它的存在，我们也想知道它的性质 。质量是所有未知量里面最重要的，但是了解它的衰变也同样重要。我们很清楚自己所期望的结果，然而我们需要测量这些数据是否与预测相符。所有这些将告诉我们现有的关于希格斯场的简单理论是否正确，或者它从属于一个更复杂的理论。因此通过测量希格斯玻色子的性质，我们可以获得超出标准模型的更基础理论的洞见。
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举例来说，如果并非只有一种希格斯场，而有两种希格斯场承担了电弱对称性破缺的职责，那么我们所观测到的希格斯玻色子的相互作用将发生显著改变。在另一种模型中，希格斯玻色子的产生速率将不同于我们现在所期望的。并且如果存在其他载有标准模型相互作用的荷的粒子，它们将影响希格斯玻色子衰变成不同种可能的末态粒子的相对衰变率。
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于是，我们有了第三种理由来研究希格斯玻色子——我们还不知道希格斯机制的真实蕴涵 。事实上，最简单的模型（本章到现在一直所关注的）告诉我们实验将给出单一类型希格斯玻色子的信号。然而，哪怕我们相信希格斯机制是基本粒子质量的原因，我们也还不确定具体是哪些粒子集合参与了它的应用。目前大多数人仍认为我们可能发现一种较轻的希格斯玻色子，如果我们的确发现了，那么它将是一个重要想法的确证。
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而其他涉及更复杂希格斯区的模型具有更丰富的预测结果。例如，超对称模型预言了更多的希格斯区的粒子。我们仍然期望发现希格斯玻色子，只不过它的相互作用不同于只含单一希格斯粒子的模型。最重要的是，希格斯区的其他粒子可以给出它们自己独有的有趣信号，假如它们轻到可以被制造出来的话。
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一些模型甚至推测基本希格斯标量粒子并不存在，希格斯机制是通过一种更复杂的基本粒子的束缚态而非基本粒子得以实现的，这类似于超导材料中给予光子质量的电子对。如果真是这样，那么希格斯粒子束缚态就会出人意料地重，并且具有其他有别于基本粒子的相互作用。这些模型当前不被人看好，因为它们难以与所有实验观测相符。不管怎样，大型强子对撞机的实验物理学家都会努力寻找以便确信这件事情。
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为什么引力如此微弱
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希格斯玻色子只是大型强子对撞机所能发现物质的冰山一隅。希格斯玻色子与其他发现一样有趣，它并非大型强子对撞机实验的唯一搜寻目标。可能研究弱尺度最主要的原因是没有人认为希格斯玻色子是遗留的唯一问题。物理学家期望希格斯玻色子只是一个有着更多内涵的模型中的一个元素，而该模型可能告诉我们关于物质乃至时空本身更多的性质。
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等级问题
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为什么决定基本粒子质量的弱能量标度比与引力相关的普朗克能标小16个数量级？这就是粒子物理学的等级问题。
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因为只存在希格斯玻色子而没有其他新元素导致了另一个巨大的谜团，即所谓的等级问题。等级问题关心的是，为什么粒子的质量（特别是希格斯粒子的质量）是其实际所具有的那个数值。决定基本粒子质量的弱能量标度是另一个质量标度——决定引力强度的普朗克质量的一亿亿分之一（见图16-4）。
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图16-4 粒子物理学等级问题：弱能量标度比与引力相关的普朗克能标小16个数量级。普朗克长度相应地比大型强子对撞机可以探测的尺度小得多。
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