希格斯玻色子赋予下一代粒子质量

大型强子对撞机的实验表明,缪子和其他“第二代粒子”通过与希格斯玻色子相互作用获得质量,进一步加强了标准模型

ATLAS探测器中包含两个缪子(红色),其质量与希格斯玻色子质量相容,以及两个前向喷注(黄色锥体)的碰撞事件可视化图。

在元素周期表中,没有哪个元素比另一个更重要。但在标准模型中——一个解释宇宙最小组成部分和支配它们的力量(不包括引力)的理论——希格斯玻色子可以说是核心。像其他基本玻色子(如光子,光的粒子)一样,希格斯玻色子是“力载体”。它不是携带电磁力、强力或弱力,而是通过所谓的希格斯场(遍布宇宙)将质量传递给所有基本粒子。

与希格斯场相互作用或“耦合”强烈的粒子是重质量的。与它耦合较弱的粒子则较轻。光子根本不与希格斯场相互作用。因此,它们没有质量。

但实验证明所有具有质量的基本粒子都通过希格斯场获得质量仍然很困难。现在,粒子物理学家首次发现了直接证据,表明这个场是赋予缪子(电子的较重表亲)质量的机制。来自ATLASCMS的分析表明,在日内瓦附近的欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)上的两个实验表明,希格斯玻色子可以衰变为两个缪子——这证明缪子与希格斯场耦合,并从中获得质量。


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粒子物理学家对结果并不感到惊讶。事实证明异常准确的标准模型预测,希格斯场赋予所有基本粒子质量。但加州大学圣克鲁兹分校的理论物理学家斯特凡妮亚·戈里(Stefania Gori)表示,为了实际证实这个想法,科学家需要每种粒子的实验证据,她没有参与这项研究。

“显然,标准模型是一个伟大的理论,”她说。“但是看到[希格斯玻色子相互作用]发生在自然界中,比仅仅因为我们的理论而假设它具有非常不同的意义。”

ATLAS和CMS在2012年发现一种新粒子时,它最初被称为“类希格斯粒子”,因为没有人知道它会与1960年代初期一群物理学家假设的希格斯玻色子有多少共同属性。“我不认为,仅仅因为他们在1964年写下了一些东西,就立即从一次测量中,所有其他事情都会随之而来,”ATLAS的实验物理学家特里斯坦·杜普雷(Tristan du Pree)说。“这就是为什么我认为[希格斯玻色子衰变为两个缪子]仍然是一个非常重要的测试,它可能走向其他方向。”

随着希格斯玻色子通过了更多测试,变得越来越“类希格斯”, “类”的限定词悄然消失了。但了解该粒子性质的努力才刚刚开始。

如何找到希格斯玻色子

为了从头开始创造希格斯玻色子,物理学家将粒子像亚原子碰撞测试一样撞击在一起。LHC提供了必要的能量:它将质子加速到接近光速,使每个质子都具有6500吉电子伏特或GeV的能量(静止时,质子大约具有1 GeV的能量)。这些加速后的质子在LHC 26.7公里长的隧道中循环,直到它们碰撞。这样的碰撞会产生粒子碎片喷雾——在极少数情况下,还会产生难以捉摸的希格斯玻色子。

实际上不可能观察到希格斯玻色子,它只持续约一秒的六万亿分之一。但科学家可以看到它衰变成什么粒子。最初的希格斯玻色子证据来自它衰变成其同类玻色子。

粒子衰变是一个随机机会问题,由所谓的支化比描述。许多可能的衰变过程中的每一个都是一个“分支”,具有一定的概率,有点像掷骰子来选择在有许多岔路口的交叉路口走哪条路。一般来说,具有125 GeV能量的希格斯玻色子最容易衰变为重粒子而不是轻粒子。因此,例如,它的衰变产生4-GeV底夸克喷雾的可能性是产生1-GeV粲夸克簇的10倍。希格斯玻色子衰变为两个缪子(每个缪子的重量为0.1057 GeV)相对罕见——仅在5000次中发生一次。当这种衰变确实发生时,ATLAS和CMS会看到两个总能量为125 GeV的缪子朝相反方向飞去。

如果合并,测量结果将具有超过三个西格玛的统计显著性,这意味着假设希格斯玻色子不衰变为缪子,则结果是随机巧合的可能性不到七百分之一。 这样的证据很强,但离物理学家偏好的五个西格玛标准(三百万分之一点五的可能性)还差一点。

以前,希格斯玻色子曾经衰变为两个缪子的证据非常薄弱,以至于理论家们努力提出缪子在其他地方获得质量的模型是完全合理的。例如,杜普雷厚颜无耻地称为“TRISTANdard模型”的另一位物理学家的一项提议使用了三种不同的希格斯玻色子来赋予每一代粒子质量。

传统上,标准模型中的12种费米子(物质粒子)分为三代。一代中的粒子在另一代中具有对应物,这些对应物表现出相同的性质和行为——就我们所知——除了它们的质量。在这种普遍性下,τ子是更重的缪子版本,而缪子仅仅是更重的电子版本。而且由于我们所说的“质量”只是粒子与希格斯场相互作用多少的结果,因此每一代之间的差异可能仅仅是每个粒子与希格斯玻色子的耦合程度。但在那之前,没有证据表明希格斯玻色子与第三代以外的费米子耦合。

“这是希格斯玻色子与第二代之间首次发生相互作用,”威廉与玛丽学院的理论物理学家马克·谢尔(Marc Sher)说,他没有参与这项研究。“这真的是对普遍性的一个特殊检验,因为如果几代之间存在差异,这可能是你首先看到它的地方。”

对于希望背离标准模型预测的物理学家来说不幸的是,缪子似乎与τ子在同一个地方获得质量。但在许多方面,寻找新颖的希格斯玻色子物理学才刚刚开始。

欧洲战略小组(一个定期召开会议以确定欧洲研究优先事项的粒子物理学家联盟)在2020年6月的报告中指出,其最高优先目标是研究希格斯玻色子的性质。报告指出:“希格斯玻色子是一种独特的粒子,它提出了关于自然基本规律的深刻问题。” “它也为研究这些问题提供了强大的实验工具。”

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