本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
當科學家在 2012 年宣佈發現希格斯玻色子時，這對粒子物理學的標準模型（亞原子物質的主導理論）來說是一次巨大的勝利。 預測該粒子可以解釋為什麼其他粒子具有質量。 但是，發現該粒子並不是故事的結局，而是一個開始。 需要更多測量來證明科學家發現的粒子與標準模型預測的粒子相同，而不是類似但不同的東西。 此外，關於希格斯如何賦予其他粒子質量以及為什麼它具有目前屬性的許多細節仍然是神秘的。
今天，物理學家報告了一項重要的觀測結果，這可能有助於我們理解這種迷人的粒子並闡明質量的起源。 科學家利用大型強子對撞機 (LHC)（世界上最強大的粒子加速器，位於法瑞邊境的 CERN 實驗室），觀察到碰撞不僅產生了希格斯玻色子，還產生了一個頂夸克及其反物質對應物——反頂夸克。
這些夸克是最重的已知基本粒子，以前從未與希格斯玻色子一起作為碰撞產物被觀察到。 我是這項公告背後團隊的一名科學家，我們都非常興奮。 在這些測量之前，我們只有關於頂夸克和希格斯玻色子如何相互作用的間接證據。 現在我們可以近距離觀察這些相互作用了。
關於支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。 透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
質量之謎
希格斯玻色子最早於 1964 年與一個能量場（希格斯場）一起被預測，該能量場瀰漫宇宙。 有人認為，當基本亞原子粒子與該場相互作用時，它們會獲得質量。 但有趣的是，理論預測表明希格斯玻色子本身應該具有比我們觀察到的質量高得多的質量。
造成這種情況的原因很微妙。 希格斯玻色子自身的質量來自兩個來源：一部分直接來自它與希格斯場的相互作用，但還有另一個間接貢獻。 與所有亞原子粒子一樣，希格斯玻色子可以短暫地轉變成其他粒子——例如，頂夸克、W 和 Z 玻色子，甚至成對的希格斯玻色子。 在這種波動狀態下，這些轉變的粒子也可以與希格斯場相互作用，並間接貢獻希格斯玻色子的質量。
除非頂夸克和 W、Z 和希格斯玻色子的效應能夠非常精確地抵消這種質量，否則這種對希格斯質量的貢獻預計將是巨大的。 就目前而言，這似乎不太可能（當然也無法解釋），因此這提出了一個嚴重的謎團。 因此，重要的是要了解希格斯玻色子和頂夸克之間的相互作用，以努力闡明這個緊迫的難題。
除了關於希格斯玻色子自身質量的未解答問題外，還有另一個理由讓我們對頂夸克和希格斯玻色子之間的關係感興趣。 頂夸克是與希格斯場相互作用最多的粒子——我們知道這一點是因為它是已知最重的粒子，並且粒子根據它們與場的相互作用強度獲得質量。
頂夸克和希格斯之間的密切關係可能為我們發現自然界中的新粒子提供了一條捷徑。 由於圍繞希格斯如何產生質量仍然存在謎團，因此完全有可能未被發現的粒子將首先出現在希格斯場發揮突出作用的碰撞中。 因此，頂夸克和希格斯玻色子同時出現的事件是研究新物理學的一個有吸引力的實驗室。
大海撈針
新結果來自 LHC 上執行的兩個實驗：CMS 和 ATLAS。CMS 合作組的發現發表在《物理評論快報》上； ATLAS 團隊提交了他們的觀測結果，以在 6 月份發表。 兩個實驗還在義大利博洛尼亞舉行的2018 年大型強子對撞機物理學會議上作了報告。
tt̄H(γγ) 分析事件的視覺化。 該事件包含兩個光子候選者，以綠色塔狀顯示在電磁量熱儀中，以及六個噴注（b 噴注），以黃色（藍色）錐狀顯示。 圖片來源：ATLAS 實驗 © 2018 CERN
每個實驗都將超過一千萬億對質子碰撞在一起，並記錄了超過十億次此類碰撞。 其中，只有幾百次碰撞同時產生了希格斯玻色子和一個頂夸克/反夸克對。 識別這些事件極具挑戰性，因為頂夸克僅在 1% 的產生希格斯玻色子的碰撞中產生。 即使是這些令人望而生畏的數字也無法傳達這些測量中涉及的真正難度。 頂夸克和反夸克各自衰變成三個子粒子，希格斯玻色子衰變成兩個。
因此，今天報告的每種事件都至少涉及八個不同的物體。 需要複雜的演算法來檢視這八個物體，並識別哪些子粒子起源於哪些母粒子。 這個過程採用了複雜的統計技術，包括神經網路和提升決策樹。 這些測量在所需的智力努力方面確實令人歎為觀止，才能克服混亂。
LHC 將繼續碰撞質子到 12 月，然後將暫停執行兩年，以便對加速器及其實驗進行升級和翻新。 它將於 2021 年重新啟動，從那時到 2030 年，LHC 的科學合作組預計將記錄比 2011 年至 2018 年記錄的資料多 30 倍的資料。
未來空前數量的資料前景使粒子物理學家感到興奮。 如果在圍繞希格斯玻色子的物理學中發現任何驚喜，CMS 和 ATLAS 團隊將會發現它們。 我們這些參與這個過程的人對未來可能帶來的發現感到非常興奮。