今年7月4日於歐洲核子物理研究中心CERN、同步與在澳洲墨爾本舉行的 ICHEP
國際高能物理大會上，大強子對撞機LHC的CMS實驗團隊利用自2011年初至
2012 年 6 月所擷取到的數據，同步發表了尋找標準模型希格斯玻色子(Higgs
boson)的最新結果。
臺大物理系陳凱風教授指出，根據粒子物理學的標準模型(Standard Model)，
希格斯玻色子應會在很短的時間之內衰變成已知的基本粒子。 CMS分析了五個
主要的希格斯玻色子衰變管道。其中三個管道會生成一對玻色子：γγ光子
對、ZZ玻色子對，或WW玻色子對(Z、W玻色子是傳遞弱作用力的玻色子 )，另兩
個管道導致費米子對：bb底夸克對或ττ濤輕子對。
γγ光子對及ZZ玻色子對這兩個管道特別的重要，這兩個分析管道對於質量的
解析度特別高，讓我們可以估計新粒子的質量。分析 γγ光子對時，質量的量
測是由在CMS的晶體電磁量能器ECAL所測量到的兩顆高能光子能量與方向所決定
(如圖一)。而分析 ZZ玻色子對時，我們則需要量測 ZZ玻色子衰變成兩個電子
對，或兩個渺子對，或是一個電子對和一個渺子對的組合。這些電子和渺子則
是藉由電磁量能器 ECAL，中心軌跡偵測器和外圍的渺子偵測器來量測。 希格
斯玻色子衰變到雙W玻色子的分析就相對複雜。W玻色子會衰變至一個電子加上
微中子、或是一個渺子加上微中子。但 CMS無法直接偵測到微中子。因此，標
準模型希格斯玻色子衰變到WW玻色子對，在質量分佈圖上並不會顯現出一個窄
的尖峰，倒像是在背景上出現一個寬廣的隆起。
臺大團隊自2000年開始參與Preshower子偵測器建造與運轉，正是為了希格斯玻
色子衰變到γγ光子對而準備的。Preshower位於ECAL偵測器的正前方，就像是
一副眼鏡一樣，增進ECAL對於光子的解像度。能夠區分入射的光子是否為一個
真正的光子，或只是強子所造成的一個背景事件。過去數年來由臺大博士生曾
衍銘、雷永吉、高凱逸、張育瑋組成的現場團隊，在呂榮祥博士助理研究員的
領軍下，幾乎包辦了Preshower所有的維護運作。
雖然Preshower的唯一功能就是為了衰變到γγ光子對的希格斯玻色子所準備，
但鑑於希格斯玻色子的分析團隊過於龐大，幾乎囊括了世界上所有的強大團隊
與學校，且組內競爭極度激烈，在資源與人力落差超過一個數量級的不利條件
下，臺大團隊在分析題目的選擇上是故意避開希格斯玻色子的部分。然而在前
年年末，臺大團隊在CMS希格斯玻色子分析總召集人Vivek Sharma教授的邀請
下，正式加入希格斯玻色子到雙光子通道的分析。主要就是因為雙光子通道的
重要性逐漸上升，需要倚賴臺大在Preshower偵測器專長的緣故。臺大團隊也藉
此投入張育瑋與呂榮祥為核心人力，成功的打入希格斯玻色子的數據分析，而
今天雙光子通道更成為最有影響力的衰變通道之一，臺大團隊的確付出實際的
貢獻。
陳凱風教授強調，以現有的CMS實驗數據量，應當有足夠的靈敏度以95%的信心
水準，將標準模型希格斯玻色子自110 -600 GeV質量範圍完全排除。實際上，
CMS也確實排除了希格斯玻色子在110 - 122.5 GeV和 127 - 600 GeV兩個質量
區間。 然而CMS無法排除希格斯玻色子存在於122.5 -127 GeV這個質量範圍，
乃是因為我們在分析管道中發現的事件數，多於背景物理反應的預期量。
圖二中，在雙光子通道中觀測到在125.0 GeV質量左右，有多出背景預期事件的
訊號達4.1個標準差。在此管道觀測到新粒子，表示此粒子必須是玻色子，且新
粒子也不能是自旋(spin)為1的粒子。同時在ZZ玻色子對的質量分布圖與衰變角
度分析，在接近125 GeV質量有多出背景預期事件3.2個標準差的訊號事件數。
即使在WW玻色子對的觀測，在質量分布上也有多於背景1.5個標準差的事件數。
bb底夸克對和ττ濤輕子對則沒有明顯高於背景預期的事件數量。
CMS團隊小心地驗證了所有的分析細節，包括偵測器的測量誤差，訊號事件的篩
選條件，背景事件數量估測，和其他系統上或統計上的誤差等等。2011年的分
析結果已經在125 GeV質量處顯現出可能有額外的訊號事件。因此，2012年的數
據分析乃是使用了所謂的『blind』分析方法，亦即在所有的分析過程中，只有
在我們已經確定了所有的分析步驟後才真正揭開目標的質量區間。事實上在6月
15日的『unblinding』之前，沒有人知道實驗的結果，以保證沒有偏見效應，
導致人為加強了訊號。
在結合所有五個管道總和分析，訊號高於背景的顯著性達到4.9個標準差(圖
三)。若是只對兩個最靈敏又對質量測量解析度最高的管道(也就是γγ光子對
和ZZ玻色子對 )總和分析後，得到5.0個標準差的訊號顯著性。這代表了整個團
隊看到的訊號是經由背景事件擾動產生的機率只有三百萬分之一。因此將觀測
現象詮釋為在之前的實驗尚未觀測到的新粒子，而量測到質量為125.3 +/-0.6
GeV。測量到的粒子產生率(σDAT)大致符合標準模型預測的希格斯玻色子產生
率(σSM)，其比例為σDAT/σSM = 0.80 +/- 0.22。然而，團隊依然需要更多
的數據來測量所有衰變管道的衰變率，終而測量其自旋和宇稱(parity)，真正
確認此新粒子的確是標準模型希格斯玻色子，或是超越標準模型、新物理的其
他新粒子。
大強子對撞機繼續日以繼夜的運作。到2012年底，預期將可以增加三倍以上的
數據量，用以更深入探測這個新粒子的物理特性。如果它並不是標準模型希格
斯玻色子，我們將會探索它所代表的新物理特性。若它被證實就是標準模型希
格斯玻色子，其物理性質將被仔細測量。2013年後，LHC加速器以及CMS偵測器
都會進行升級維修，為了更高能量的對撞準備。而臺大團隊也以攻頂計畫的支
援下，參加重要性更高的Pixel子偵測器升級計畫。不論這次發現的玻色子是否
符合標準模型希格斯玻色子，臺大團隊都會利用LHC提供在更高能量和強度的對
撞，持續搜尋新的粒子或作用力。
