@ 2018.08.30 , 22:12

6年之后,我们终于捕捉到了希格斯玻色子的衰变

在奇怪的,难以捉摸的希格斯玻色子子被发现6年后,操作着世界上最大的粒子加速器的科学家们终于观察到了它神秘但又属于正常现象的衰变过程。

利用大型强子对撞机数据,物理学家们知道玻色子被分解成了两个较小的粒子——一个底夸克和它的反物质等价物、反底夸克。

根据粒子物理学的标准模型预测,在大约60%的时间里,希格斯玻色子将衰变成底夸克——第二重的夸克。

物理学家们一直希望观察到这一过程,因为那是对标准模型的有力支持;否则,就表明标准模型还不完善,需要寻找新的物理理论来给出解释。

问题是该过程极其难以实现。我们通过两个质子之间的碰撞来产生希格斯玻色子。如果质子内部的两个胶子融合并产生两个顶夸克,这些顶夸克可以重新组合成希格斯粒子。

在衰变成较小质量的粒子之前,希格斯玻色子只能存在约10的24次方分之1秒钟。粒子物理学家只能通过后续其他相关的粒子来推断出希格斯玻色子的存在。

粒子有几种衰变方式,包括费米子—反费米子对,一对光子或一对规范玻色子。相对来说,它们更容易被观察到。

但是对于底夸克,事情变得有点棘手,因为每次质子—质子碰撞都会产生亚原子粒子,其中也包括底夸克。然后它们迅速衰变成其他粒子。

由于希格斯玻色子的存在时间是如此短暂,因此无法确定出现的底夸克是否来自衰变的希格斯玻色子,或者干脆就是质子碰撞的背景过程产物。

为了确认衰变过程, ATLAS和CMS强强结合,辅以大型强子对撞机第一次和第二次运行的数据,进行了周密的分析,试图从它们制造的一大波粒子中找到底夸克的踪迹;然后再由底夸克追溯到希格斯玻色子。

普林斯顿大学的物理学家Chris Palmer说:“记录到一两个疑似来自希格斯玻色子的底夸克是没有说服力的。在我们能够清晰地阐明这一过程之前,还需要分析成千上万的记录事件,而这一过程正与一系列相似的背景干扰事件同时发生。”

6年之后,我们终于捕捉到了希格斯玻色子的衰变
CMS项目报告图表

然而,有一些粒子可以被看作是希格斯玻色子生产机制的副产物。

“我们使用这些粒子来标记潜在的希格斯衰变事件并将它们与其他干扰信号区别开来。”Palmer解释说,“所以我们的工作成绩斐然,堪称是事半功倍。因为我们不仅证实了希格斯玻色子的确衰变成了底夸克,而且还发现了很多产生希格斯玻色子的相关机制。”

并且他们再次证实了标准模型的正确性,其中衰变速率与理论相匹配。

这样的结果,为科学家们提供了全新的可能性,让他们能够更详细地研究希格斯玻色子的行为,以及如何与其他物质相互作用、甚至是否可以与尚未发现的粒子相互作用(如暗物质)。

下一步工作是提升测量精度,高精确度刻画衰变的过程。

合作双方同时提交了他们的论文,以便在科学期刊上发表,全文现在就可以在arXiv上找到:CMS的论文在此处获得,ATLAS的论文在此处获得。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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