希格斯玻色子賦予下一代粒子質量

大型強子對撞機的實驗表明,繆子和其他“第二代粒子”透過與希格斯玻色子相互作用獲得質量,進一步加強了標準模型

ATLAS探測器中包含兩個繆子(紅色),其質量與希格斯玻色子質量相容,以及兩個前向噴注(黃色錐體)的碰撞事件視覺化圖。

在元素週期表中,沒有哪個元素比另一個更重要。但在標準模型中——一個解釋宇宙最小組成部分和支配它們的力量(不包括引力)的理論——希格斯玻色子可以說是核心。像其他基本玻色子(如光子,光的粒子)一樣,希格斯玻色子是“力載體”。它不是攜帶電磁力、強力或弱力,而是透過所謂的希格斯場(遍佈宇宙)將質量傳遞給所有基本粒子。

與希格斯場相互作用或“耦合”強烈的粒子是重質量的。與它耦合較弱的粒子則較輕。光子根本不與希格斯場相互作用。因此,它們沒有質量。

但實驗證明所有具有質量的基本粒子都透過希格斯場獲得質量仍然很困難。現在,粒子物理學家首次發現了直接證據,表明這個場是賦予繆子(電子的較重表親)質量的機制。來自ATLASCMS的分析表明,在日內瓦附近的歐洲核子研究中心(CERN)大型強子對撞機(LHC)上的兩個實驗表明,希格斯玻色子可以衰變為兩個繆子——這證明繆子與希格斯場耦合,並從中獲得質量。


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粒子物理學家對結果並不感到驚訝。事實證明異常準確的標準模型預測,希格斯場賦予所有基本粒子質量。但加州大學聖克魯茲分校的理論物理學家斯特凡妮亞·戈裡(Stefania Gori)表示,為了實際證實這個想法,科學家需要每種粒子的實驗證據,她沒有參與這項研究。

“顯然,標準模型是一個偉大的理論,”她說。“但是看到[希格斯玻色子相互作用]發生在自然界中,比僅僅因為我們的理論而假設它具有非常不同的意義。”

ATLAS和CMS在2012年發現一種新粒子時,它最初被稱為“類希格斯粒子”,因為沒有人知道它會與1960年代初期一群物理學家假設的希格斯玻色子有多少共同屬性。“我不認為,僅僅因為他們在1964年寫下了一些東西,就立即從一次測量中,所有其他事情都會隨之而來,”ATLAS的實驗物理學家特里斯坦·杜普雷(Tristan du Pree)說。“這就是為什麼我認為[希格斯玻色子衰變為兩個繆子]仍然是一個非常重要的測試,它可能走向其他方向。”

隨著希格斯玻色子通過了更多測試,變得越來越“類希格斯”, “類”的限定詞悄然消失了。但瞭解該粒子性質的努力才剛剛開始。

如何找到希格斯玻色子

為了從頭開始創造希格斯玻色子,物理學家將粒子像亞原子碰撞測試一樣撞擊在一起。LHC提供了必要的能量:它將質子加速到接近光速,使每個質子都具有6500吉電子伏特或GeV的能量(靜止時,質子大約具有1 GeV的能量)。這些加速後的質子在LHC 26.7公里長的隧道中迴圈,直到它們碰撞。這樣的碰撞會產生粒子碎片噴霧——在極少數情況下,還會產生難以捉摸的希格斯玻色子。

實際上不可能觀察到希格斯玻色子,它只持續約一秒的六萬億分之一。但科學家可以看到它衰變成什麼粒子。最初的希格斯玻色子證據來自它衰變成其同類玻色子。

粒子衰變是一個隨機機會問題,由所謂的支化比描述。許多可能的衰變過程中的每一個都是一個“分支”,具有一定的機率,有點像擲骰子來選擇在有許多岔路口的交叉路口走哪條路。一般來說,具有125 GeV能量的希格斯玻色子最容易衰變為重粒子而不是輕粒子。因此,例如,它的衰變產生4-GeV底夸克噴霧的可能性是產生1-GeV粲夸克簇的10倍。希格斯玻色子衰變為兩個繆子(每個繆子的重量為0.1057 GeV)相對罕見——僅在5000次中發生一次。當這種衰變確實發生時,ATLAS和CMS會看到兩個總能量為125 GeV的繆子朝相反方向飛去。

如果合併,測量結果將具有超過三個西格瑪的統計顯著性,這意味著假設希格斯玻色子不衰變為繆子,則結果是隨機巧合的可能性不到七百分之一。 這樣的證據很強,但離物理學家偏好的五個西格瑪標準(三百萬分之一點五的可能性)還差一點。

以前,希格斯玻色子曾經衰變為兩個繆子的證據非常薄弱,以至於理論家們努力提出繆子在其他地方獲得質量的模型是完全合理的。例如,杜普雷厚顏無恥地稱為“TRISTANdard模型”的另一位物理學家的一項提議使用了三種不同的希格斯玻色子來賦予每一代粒子質量。

傳統上,標準模型中的12種費米子(物質粒子)分為三代。一代中的粒子在另一代中具有對應物,這些對應物表現出相同的性質和行為——就我們所知——除了它們的質量。在這種普遍性下,τ子是更重的繆子版本,而繆子僅僅是更重的電子版本。而且由於我們所說的“質量”只是粒子與希格斯場相互作用多少的結果,因此每一代之間的差異可能僅僅是每個粒子與希格斯玻色子的耦合程度。但在那之前,沒有證據表明希格斯玻色子與第三代以外的費米子耦合。

“這是希格斯玻色子與第二代之間首次發生相互作用,”威廉與瑪麗學院的理論物理學家馬克·謝爾(Marc Sher)說,他沒有參與這項研究。“這真的是對普遍性的一個特殊檢驗,因為如果幾代之間存在差異,這可能是你首先看到它的地方。”

對於希望背離標準模型預測的物理學家來說不幸的是,繆子似乎與τ子在同一個地方獲得質量。但在許多方面,尋找新穎的希格斯玻色子物理學才剛剛開始。

歐洲戰略小組(一個定期召開會議以確定歐洲研究優先事項的粒子物理學家聯盟)在2020年6月的報告中指出,其最高優先目標是研究希格斯玻色子的性質。報告指出:“希格斯玻色子是一種獨特的粒子,它提出了關於自然基本規律的深刻問題。” “它也為研究這些問題提供了強大的實驗工具。”

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