本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
当科学家在 2012 年宣布发现希格斯玻色子时，这对粒子物理学的标准模型（亚原子物质的主导理论）来说是一次巨大的胜利。 预测该粒子可以解释为什么其他粒子具有质量。 但是，发现该粒子并不是故事的结局，而是一个开始。 需要更多测量来证明科学家发现的粒子与标准模型预测的粒子相同，而不是类似但不同的东西。 此外，关于希格斯如何赋予其他粒子质量以及为什么它具有目前属性的许多细节仍然是神秘的。
今天，物理学家报告了一项重要的观测结果，这可能有助于我们理解这种迷人的粒子并阐明质量的起源。 科学家利用大型强子对撞机 (LHC)（世界上最强大的粒子加速器，位于法瑞边境的 CERN 实验室），观察到碰撞不仅产生了希格斯玻色子，还产生了一个顶夸克及其反物质对应物——反顶夸克。
这些夸克是最重的已知基本粒子，以前从未与希格斯玻色子一起作为碰撞产物被观察到。 我是这项公告背后团队的一名科学家，我们都非常兴奋。 在这些测量之前，我们只有关于顶夸克和希格斯玻色子如何相互作用的间接证据。 现在我们可以近距离观察这些相互作用了。
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质量之谜
希格斯玻色子最早于 1964 年与一个能量场（希格斯场）一起被预测，该能量场弥漫宇宙。 有人认为，当基本亚原子粒子与该场相互作用时，它们会获得质量。 但有趣的是，理论预测表明希格斯玻色子本身应该具有比我们观察到的质量高得多的质量。
造成这种情况的原因很微妙。 希格斯玻色子自身的质量来自两个来源：一部分直接来自它与希格斯场的相互作用，但还有另一个间接贡献。 与所有亚原子粒子一样，希格斯玻色子可以短暂地转变成其他粒子——例如，顶夸克、W 和 Z 玻色子，甚至成对的希格斯玻色子。 在这种波动状态下，这些转变的粒子也可以与希格斯场相互作用，并间接贡献希格斯玻色子的质量。
除非顶夸克和 W、Z 和希格斯玻色子的效应能够非常精确地抵消这种质量，否则这种对希格斯质量的贡献预计将是巨大的。 就目前而言，这似乎不太可能（当然也无法解释），因此这提出了一个严重的谜团。 因此，重要的是要了解希格斯玻色子和顶夸克之间的相互作用，以努力阐明这个紧迫的难题。
除了关于希格斯玻色子自身质量的未解答问题外，还有另一个理由让我们对顶夸克和希格斯玻色子之间的关系感兴趣。 顶夸克是与希格斯场相互作用最多的粒子——我们知道这一点是因为它是已知最重的粒子，并且粒子根据它们与场的相互作用强度获得质量。
顶夸克和希格斯之间的密切关系可能为我们发现自然界中的新粒子提供了一条捷径。 由于围绕希格斯如何产生质量仍然存在谜团，因此完全有可能未被发现的粒子将首先出现在希格斯场发挥突出作用的碰撞中。 因此，顶夸克和希格斯玻色子同时出现的事件是研究新物理学的一个有吸引力的实验室。
大海捞针
新结果来自 LHC 上运行的两个实验：CMS 和 ATLAS。CMS 合作组的发现发表在《物理评论快报》上； ATLAS 团队提交了他们的观测结果，以在 6 月份发表。 两个实验还在意大利博洛尼亚举行的2018 年大型强子对撞机物理学会议上作了报告。
tt̄H(γγ) 分析事件的可视化。 该事件包含两个光子候选者，以绿色塔状显示在电磁量热仪中，以及六个喷注（b 喷注），以黄色（蓝色）锥状显示。 图片来源：ATLAS 实验 © 2018 CERN
每个实验都将超过一千万亿对质子碰撞在一起，并记录了超过十亿次此类碰撞。 其中，只有几百次碰撞同时产生了希格斯玻色子和一个顶夸克/反夸克对。 识别这些事件极具挑战性，因为顶夸克仅在 1% 的产生希格斯玻色子的碰撞中产生。 即使是这些令人望而生畏的数字也无法传达这些测量中涉及的真正难度。 顶夸克和反夸克各自衰变成三个子粒子，希格斯玻色子衰变成两个。
因此，今天报告的每种事件都至少涉及八个不同的物体。 需要复杂的算法来查看这八个物体，并识别哪些子粒子起源于哪些母粒子。 这个过程采用了复杂的统计技术，包括神经网络和提升决策树。 这些测量在所需的智力努力方面确实令人叹为观止，才能克服混乱。
LHC 将继续碰撞质子到 12 月，然后将暂停运行两年，以便对加速器及其实验进行升级和翻新。 它将于 2021 年重新启动，从那时到 2030 年，LHC 的科学合作组预计将记录比 2011 年至 2018 年记录的数据多 30 倍的数据。
未来空前数量的数据前景使粒子物理学家感到兴奋。 如果在围绕希格斯玻色子的物理学中发现任何惊喜，CMS 和 ATLAS 团队将会发现它们。 我们这些参与这个过程的人对未来可能带来的发现感到非常兴奋。