互动科普

统计方法对发现新粒子是不可或缺的

即便是集中了高性能的加速器和探测器，要发现希格斯粒子也是不容易的。因为就算探测到了认为是希格斯粒子衰变产生的粒子，也还是不能断定到底是不是真的是由希格斯粒子衰变产生的，所以这依然是个问题。

比如说，希格斯粒子的衰变确实能够产生双光子，但麻烦的是，能产生双光子的条件并非只有希格斯粒子衰变。只靠双光子实验的数据，想要断言希格斯粒子存在不是一个精度问题，而是根本不可能的。

没有别的办法，只有采用统计方法。从大量的实验数据中，只取出能生成双光子的事件，利用双光子反向重建原粒子的质量信息。如此一来，能生成双光子的反应很可能会在某个特定的质量区间里异常地多发。

如果实验结果可信，在这个质量附近就应该是存在导致双光子多发的特别的事情，而这个质量可以认为就是希格斯粒子的质量。

图：可能由希格斯粒子衰变产生的双光子

粒子的“异常”生成重叠在126GeV附近

让我们回顾一下本次发表的ATLAS的探测结果。首先，在“116GeV以下”和“130GeV以上”没有测到可能由于希格斯粒子的存在造成的“异常”信号。也就是说，在此质量范围内排除了希格斯粒子存在的可能性。如果希格斯粒子真的存在，其质量范围应该落在116〜130GeV之间。

非常有趣的是，ATLAS的探测结果也在126GeV附近看到了可能揭示希格斯粒子存在的异常现象。同样，这些异常的偏差也可能是由随机涨落造成的，以目前的数据量来看，是不足以排除这种可能性的。

虽然如此，但作为暗示希格斯粒子存在的线索，是完全可能的。实际上，从希格斯粒子衰变而来的产物并不限于双光子，产生其他的粒子比如2个Z粒子的概率也是有的。也就是说，在反应数据中与衰变为双光子的情况一样，在126GeV附近能够看到异常。“事实上，多种的衰变模式都一致地反映在126GeV附近的数据中，可以认为这是颇为令人感兴趣的线索。”一直从事ATLAS开发和实验数据分析的东京大学研究生院理学院副教授浅井祥仁如是说。

以目前已经分析完成的数据为基础，综合所有的衰变模式就可以计算在126GeV附近的异常是由随机偏差造成的概率（也就相当于知道了质量为126GeV的希格斯粒子存在的概率），结果为0.02％。反过来说就是，在质量126GeV附近，希格斯粒子存在的概率是99.98％。

一般来说，如此高的概率，感觉已经可以断言希格斯粒子被发现了。但是对追求严密的粒子物理学而言，只有当概率达到99.9999％以上时，才能认为确实发现了新粒子。

此外，本次的结果为，不同衰变模式下，异常都出现在126GeV附近。综合这些实验结果时，也可以采用不同的方法。如果采用尽量降低“误认希格斯粒子的风险”的方法（更谨慎的方法），希格斯粒子存在的概率就变成了98.9％。总之，达不到确认发现的99.9999％的要求。

（本文发表于《科学世界》2012年第4期）