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欧洲首次实现希格斯玻色子的质量的精确测量

2019-11-03 10:35

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原标题:捕捉“上帝”的秘密,科学家成功观测到希格斯玻色子的最常见衰变

10月28日消息,据外媒New Atlas报道,欧洲核子研究组织首次实现了精确测量希格斯玻色子的质量。2012年宣布的希格斯玻色子发现被认为是十年来最大的科学发现之一。此后几年中,科学家一直在仔细地测量它的性质,现在欧洲核子研究组织团队已经对它的质量进行了最精确的测量。

欧洲核子研究中心(CERN)28日宣布,在发现“上帝粒子”——希格斯玻色子6年后,研究人员终于观测到它衰变为一对底夸克。这一“常见衰变”的捕获被研究人员看作是探索希格斯玻色子的里程碑。

希格斯玻色子是一种非常重要的粒子-它是由粒子物理学标准模型预测的最后的基本粒子。该玻色子代表希格斯场,它均匀地遍布整个宇宙。夸克和轻子等其他基本粒子通过与希格斯场相互作用来增加质量。

希格斯玻色子的产生的条件非常苛刻,需要在大型强子对撞机进行约10亿次碰撞,才能观测,而且它的寿命极为短暂,假设希子质量为126 GeV,则标准模型预测平均寿命大约为1.6×10−22 秒。由于不可能直接看到希格斯玻色子,科学家们使用这些次级粒子衰变产物来研究它的特性。自从2012年发现希格斯玻色子以来,在其衰变物中,科学家们按照现有理论只能识别出约30%。美国能源部布鲁克海文国家实验室ATLAS物理学家卡瓦莉尔(Viviana Cavaliere)表示,过去几年,由于希格斯玻色子的衰变速度非常快,抓住它一直是人们的首要任务。

该假说最早是在20世纪60年代提出的,但是直到2012年才直接发现希格斯玻色子,最终证实了这一机理。这为最初提出该想法的科学家赢得了2013年诺贝尔物理学奖。

根据粒子物理学标准模型预测,约60%的希格斯玻色子都会衰变成一对底夸克,也就是6种夸克中第二重的夸克(第一为顶夸克)。新的观测结果支持了标准模型对这一“常见衰变”的预测。研究人员说,如果观测结果与标准模型的预测不符,则会动摇标准模型的基础并指出新的物理学方向(还有其他粒子有待发现?)。

首次检测到希格斯玻色子的质量时,研究团队测得的质量约为125-126GeV。现在,该数字已进一步完善,不确定性在0.1%以内。根据该团队的说法,希格斯玻色子的质量为125.35 GeV。

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这一新结果是基于2011年至2016年在大型强子对撞机上收集到的数据得出的。希格斯玻色子是不稳定的,通常会很快分解为更轻的粒子。在2011年和2012年,CMS检测器观测到希格斯玻色子衰减为两个Z玻色子,然后进一步衰减为四个轻子。在2016年,观测到它会衰变成两个光子。研究人员将这些结果结合起来,得出了有史以来最精确的新质量测量值。

图1 希格斯玻色子衰变为两个底夸克(蓝圈),伴有一个W玻色子衰变为一个μ子(红线)和一个中微子(白线)的ATLAS候选事件

虽然研究小组表示新的测量本身不会直接导致新的物理学,但确实增加了希格斯玻色子的困惑和标准模型的局限性。了解质量有助于改进将来对粒子其他性质的测量,以及我们可以期望在即将到来的粒子加速器中找到的质量。该团队表示,最终它将帮助我们“了解宇宙的长期稳定性”。

来源:ATLAS/CERN

调查结果的详细摘要已在《CMS Collaboration》在线发布。

40多年前,科学家们建立起一套名叫“标准模型”的粒子物理学理论,但这一理论一直缺少最后一块拼图,即希格斯玻色子。这一难以寻觅又极为重要的“上帝粒子”被认为是解释其他粒子如何获取质量的关键。2012年7月,欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)研究人员宣布发现希格斯玻色子,这是LHC最为显赫的成绩。

关于希格斯玻色子

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希格斯玻色子,是标准模型里的一种基本粒子,是一种玻色子,自旋为零,宇称为正值,不带电荷、色荷,极不稳定,生成后会立刻衰变。希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。希格斯粒子的衰变能动会生成耦合实粒子。

图2 希格斯玻色子衰变为两个底夸克(蓝),伴有一个Z玻色子衰变为一对正负电子(红)的CMS候选事件。

来源:CMS/CERN

研究人员介绍,希格斯玻色子有多个衰变道,此次观测到其常见的衰变道(衰变为底夸克)绝非易事,主要困难在于质子和质子的碰撞中存在许多产生底夸克的途径,因此很难将希格斯玻色子衰变信号与噪声干扰隔离开。相比而言,当年发现希格斯玻色子时观察到它不太常见的衰变道(衰变为一对光子)则更容易从背景中提取。

为提取信号,大型强子对撞机两个实验项目组ATLAS(超环面仪器)和CMS(紧凑μ子线圈)各自组合了大型强子对撞机的两次运行数据进行分析。结果检测到希格斯玻色子衰变为一对底夸克。此外,两个项目组还在当前的测量精度范围内测量到与标准模型预测相一致的衰减速率。

标准模型中的基本粒子

到目前为止,标准模型是物理学对于物质世界最深刻和最客观的认识,是描述物质基本组成和运行最成功的理论。标准模型认为,物理真空并不是一无所有,真空中充满场,场的激发态是粒子。粒子分为组成子和媒介子,组成子即构成现有物质世界的“基本”粒子,媒介子是传递相互作用的粒子。

组成子(物质子)的自旋为半奇数,是费米子,分为夸克和轻子。夸克有三代,分别为:(u,d),(c,s),(t,b)[英文名称为:(up quark, down quark),(charm quark, strange quark),(top quark or truth quark,bottom quark or beauty quark);中文名称为:(上夸克,下夸克),(粲夸克,奇异夸克),(顶夸克又叫真理夸克,底夸克又叫美丽夸克)];轻子也有三代,分别为,(e,ve),(μ,vμ),(τ,vτ)[英文名称为:(electron, electron neutrino),(muon, muon neutrino),(tau,tau neutrino);中文名称为(电子,电子中微子),(μ子,μ子中微子),(τ子, τ子中微子)],不同代的中微子之间可以互相转变的,即所谓的中微子振荡,这种现象要求中微子具有质量,超出了标准模型。媒介子(传播子)的自旋为整数,是玻色子,分为:中间玻色子,W±和Z0,传递弱相互作用;光子,传递电磁相互作用;胶子,传递强相互作用;希格斯子,使得物质拥有质量。传递引力相互作用的引力子至今还没有发现。

另外,玻色子遵循玻色-爱因斯坦统计,不遵守泡利不相容原理(电子简并压是由泡利不相容原理产生的,在天体演化中,它导致了白矮星的形成),在低温时可以发生玻色-爱因斯坦凝聚。费米子服从费米-狄拉克统计,遵守泡利不相容原理。

标准模型中的费米子有六种是夸克(以紫色表示),有六种是轻子(以绿色表示),在这两类粒子右边有四种规范玻色子(以红色表示),最右边是希格斯玻色子(以黄色表示)。

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图3 标准模型中的基本粒子

来源:科普中国

如表所示,总计共有61种基本粒子。色(color)是一种内部自由度。值得注意的是,由于色禁闭和渐进自由,至今还没能观察到自由夸克,观察到的只是由两个夸克构成的介子、三个夸克构成的重子、四个夸克或者五个夸克构成的奇特态粒子。现代粒子物理学的各种理论模型是在标准模型的框架下,对粒子的各种性质进行更为详细和精确地描述。

粒子的内秉性质包括:质量,电荷,自旋,宇称性等;相互作用性质包括:产生道的截面,衰变道的分支比等。

标准模型中的希格斯机制

在粒子物理学里,标准模型是一种被广泛接受的框架,可以描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子。除了引力以外,标准模型可以合理解释这世界中的大多数物理现象。

早期的标准模型所倚赖的规范场论阐明,基本力是源自于规范不变性,是由规范玻色子来传递。规范场论严格规定,规范玻色子必须不带有质量,因此,传递电磁相互作用的规范玻色子(光子)不带有质量。光子的质量的确经实验证实为零。

借此类推,传递弱相互作用的规范玻色子(W玻色子、Z玻色子)应该不带有质量,可是实验证实W玻色子与Z玻色子的质量不为零,这显示出早期模型不够完善,因此须要建立特别机制来赋予W玻色子、Z玻色子它们所带有的质量。

由此在1960年代,几位物理学者研究出一种机制,其能够利用自发对称性破缺来赋予基本粒子质量,同时又不会抵触到规范场论。这机制被称为希格斯机制,希格斯机制已被实验证实。但是,物理学者仍旧不清楚关于希格斯机制的诸多细节。

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图4 英国物理学家彼得•希格斯

来源:www.ed.ac.uk

这机制假定宇宙遍布着希格斯场,其能够与某些基本粒子相互作用,并且利用自发对称性破缺使得它们获得质量。

希格斯玻色子是伴随着希格斯场的带质量玻色子,是希格斯场的量子激发。假若能证实希格斯玻色子存在,就可以推论希格斯场存在,就好像从观察海面的波浪可以推论出海洋的存在。

据说,希格斯在一次散步的过程中突发奇想,他认为空间就像水,物体在水中运动时会受到阻力,让运动变得困难;相应的,粒子穿行于空间中也会受到某种阻碍,使其需要有所付出才能获得加速度,在宏观上就体现为“质量”。这就是所谓的“希格斯机制”。

理论物理学家布莱恩•格林做过一个有趣的比喻。可以吧“希格斯场”想象成“狗仔队”,把空间中各种物质看做“明星”。“狗仔队”看见他们就会一拥而上,将其团团围住,而明星必须要使劲往前挤才能逃脱;明星挤得越费劲,与狗仔的互动越多,受到的阻力越大,说明他的“名气”越大。明星们的“名气”大小不同,相应的,不同粒子获得的质量也不同。比如光子的静质量为零(龙套演员?),因此光具有空间中最快的速度。

什么是自发对称破缺?

原来具有较高对称性的系统出现不对称因素,其对称程度自发降低, 这种现象叫做对称性自发破缺。或者用物理语言叙述为:控制参量 l 跨越某临界值时,系统原有对称性较高的状态失稳,新出现若干个等价的、对称性较低的稳定状态,系统将向其中之一过渡。

用一个形象的类比来解释什么是自发对称性破缺:一支以笔尖直立于水平面上的铅笔,可以被看成是完全对称的,任何方向对它来说都没有区别;但如果这支铅笔倒在水平面上,它的对称性就被“打破”了,而它也同时达到了自己的基态或者说最低能阶,此时它的状态最为稳定。

希格斯粒子的发现

4166.com,希格斯玻色子(英语:Higgs boson)是标准模型里的一种基本粒子,是一种玻色子,自旋为零,宇称为正值,不带电荷、色荷,极不稳定,生成后会立刻衰变。

希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。根据希格斯机制,基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。假若希格斯玻色子被证实存在,则希格斯场应该也存在,而希格斯机制也可被确认为基本无误。

物理学者用了四十多年时间寻找希格斯玻色子的踪迹。大型强子对撞机(LHC)是全世界至今为止最昂贵、最复杂的实验设施之一,其建成的一个主要任务就是寻找与观察希格斯玻色子与其它种粒子。

2012年7月4日,欧洲核子研究组织(CERN)宣布,LHC的紧凑μ子线圈(CMS)探测到质量为125.3±0.6GeV的新玻色子(超过背景期望值4.9个标准差),超环面仪器(ATLAS)测量到质量为126.5GeV的新玻色子(5个标准差),这两种粒子极像希格斯玻色子。

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