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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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普朗克质量与弱作用的质量标度相差如此巨大，这是引力如此微弱的原因。引力相互作用依赖于普朗克质量的倒数。如果普朗克质量如我们所知的那样巨大，引力必然极其微弱。
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事实上，引力是迄今为止人们所知道的最弱的相互作用力。引力之所以看起来没有那么微弱，是因为整个地球的质量都在吸引着你。如果你换位思考，两个电子之间的引力，你会发现它们之间的电磁力比引力大了43个数量级。也就是说，电磁力的大小胜过引力一千亿亿亿亿亿倍。引力对于基本粒子的效应完全可以忽略不计。等级问题考虑的是：为什么引力比其他我们所知的基本相互作用力微弱了如此之多 ？
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粒子物理学家不喜欢解释大数字，比如普朗克质量与弱作用质量之比。但是该问题比仅从审美的角度反对神秘的大数字来得严重。根据量子场论（将量子力学与狭义相对论结合起来的理论），这里不应该有任何差别。解决等级问题的紧迫性至少对所有理论物理学家来说都是心照不宣的。而量子场论却表明弱质量与普朗克质量应该相差无几。
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在量子场论中，普朗克能标具有重要意义。不仅因为在该能标上引力变得极强，而且因为在此能标上引力与量子力学都是至关重要的，而我们已知的物理定律都失效了。然而，在低能标时，我们知道如何使用量子场论进行粒子物理学计算，而量子场论也做了很多成功的预测，让物理学家们相信它是正确的。实际上，所有科学领域中测量值与预言值符合得最好的结果，也是来自量子场论。这样的一致性绝非出于偶然。
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然而，当我们将相同原理应用于结合量子力学的虚粒子贡献，给出希格斯质量时，结果却是出人意料地混乱。理论中任何粒子的虚效应看似可以给出希格斯粒子一个与普朗克质量相当的质量。中介粒子可以是质量很大的粒子，例如具有GUT能标质量的粒子（见图16-5左图）；或者是普通的标准模型粒子，例如顶夸克（见图16-5右图）。任何一种方式的虚效应修正都可以使希格斯玻色子质量非常巨大。这里的问题是：中间交换的虚粒子允许具有的能量可以和普朗克质量一样巨大。如果这个说法正确的话，希格斯质量也可以同样极其巨大。在这种情形下，弱相互作用所伴随的对称性自发破缺的能标也将是普朗克能标，也即比现在实验能达到的能标高16个数量级（一亿亿倍）。
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等级问题对只含一个希格斯玻色子的标准模型来说是极其重要的问题。从技术上来讲，这里面的确存在一个漏洞。在没有虚效应时希格斯质量可以极其巨大，其数值刚好与由于虚效应带来的贡献相抵消，从而得到我们所需要的能量水平上的精确值。这里的问题在于：虽然原则上可能，这将意味着有16个数位的数字必须严格相消[69] ——那将是多么大的一种偶然啊。
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图16-5 重粒子对希格斯玻色子质量的量子修正。例如大统一理论（GUT）尺度下的某个重粒子与它的反粒子（左图），以及一个虚的顶夸克与它的反粒子（右图）。
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因此物理学家都不相信这种胡言乱语或者精细调节。我们认为不同质量标度之间差别的等级问题，暗示了一个更大更好的基本理论。看起来没有一个简单的模型可以完全给出该问题的答案。唯一有希望的方案是将标准模型扩展，使其包含一些显著的性质。在落实希格斯机制的情况下，等级问题的解决是大型强子对撞机主要的搜索目标，也是接下来一章的主题。