日前，《物理評(píng)論快報(bào)》刊發(fā)了歐洲核子中心（CERN）大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的新成果，并被編輯部作為高亮文章（highlighted article）推薦。研究顯示，科學(xué)家觀測(cè)到了希格斯粒子的一種稀有衰變跡象。
中國(guó)科學(xué)家是此次聯(lián)合測(cè)量的召集人和主要貢獻(xiàn)者。論文的匿名評(píng)審認(rèn)為“觀測(cè)到新的希格斯粒子衰變通道，是被物理學(xué)界廣泛期待的消息”。
希格斯粒子是賦予所有基本粒子以質(zhì)量的“上帝粒子”。2021年，LHC上的兩個(gè)探測(cè)器——超環(huán)面儀器實(shí)驗(yàn)（ATLAS）、緊湊繆子線圈實(shí)驗(yàn)（CMS），發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子衰變成一個(gè)光子和一個(gè)“虛擬光子”的證據(jù)。如今，兩個(gè)探測(cè)器團(tuán)隊(duì)又首度以聯(lián)合測(cè)量的方式，尋找希格斯粒子衰變成一個(gè)Z玻色子和一個(gè)光子的信號(hào)，并觀測(cè)到這一稀有衰變跡象。
這些研究的意義何在？粒子物理學(xué)家們?yōu)楹螆?zhí)迷于研究希格斯粒子的“衰變”？他們一直希望斥巨資建設(shè)的“希格斯工廠”又會(huì)對(duì)這些研究有什么用？為探明這些問(wèn)題，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪了此次聯(lián)合測(cè)量中的相關(guān)中國(guó)科學(xué)家。
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研究希格斯粒子稀有衰變有何意義？
希格斯粒子是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中，最后一個(gè)被找到的基本粒子，之所以如此，是因?yàn)樗漠a(chǎn)額極低，并在極短時(shí)間內(nèi)自發(fā)地衰變成其他粒子。
2012年7月4日，CERN向全世界公布了希格斯粒子被發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。很多科學(xué)家由此開始了新的研究旅程。
中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員黃燕萍就是其中一員。從2013年起，她便開始了與希格斯粒子相關(guān)的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，其中之一就是尋找希格斯玻色子衰變到Z玻色子和光子的過(guò)程。
“這是一種稀有衰變。”黃燕萍告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，之所以“稀有”，是因?yàn)?000個(gè)希格斯粒子只有1-2個(gè)會(huì)衰變成一個(gè)Z玻色子和一個(gè)光子，又由于有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的有限分辨能力，當(dāng)前科學(xué)家主要是通過(guò)Z玻色子衰變到電子對(duì)或者繆子對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在黃燕萍看來(lái)，這項(xiàng)研究非常困難，卻非常重要。
粒子物理學(xué)家認(rèn)為，研究希格斯粒子的衰變過(guò)程，將有助于確定一些重要參數(shù)，并理解“質(zhì)量是如何形成產(chǎn)生的”等問(wèn)題。
而他們之所以費(fèi)盡力氣尋找希格斯玻色子衰變到Z玻色子和光子的過(guò)程，是因?yàn)檫@種稀有衰變過(guò)程有可能幫助人們深入理解希格斯粒子與其他粒子相互作用時(shí)的“圈圖作用”。
“許多理論預(yù)言，希格斯粒子衰變到Z玻色子、光子的‘圈圖作用’中可能存在新粒子，如額外的無(wú)色帶電標(biāo)量粒子、輕子或者矢量玻色子。”黃燕萍說(shuō)。
“圈圖作用”是從粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型推導(dǎo)出的結(jié)果，被視為一種復(fù)雜的量子過(guò)程。按照粒子物理基本模型的解釋，基本粒子通過(guò)與希格斯粒子發(fā)生相互作用而獲得質(zhì)量，但由于光子沒(méi)有質(zhì)量，因而原則上希格斯粒子與光子間沒(méi)有直接的相互作用，然而，現(xiàn)實(shí)情況卻是希格斯粒子衰變出了光子。唯一能自洽的解釋就是“圈圖作用”，即希格斯粒子沒(méi)有直接和光子發(fā)生相互作用，而是通過(guò)與其他粒子發(fā)生量子作用，最終產(chǎn)生光子。
“我們這次觀測(cè)到希格斯玻色子的稀有衰變現(xiàn)象，為深入理解希格斯粒子參與的‘圈圖作用’機(jī)制，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型以及探索新物理提供了新的窗口。”黃燕萍說(shuō)。
為什么要做“聯(lián)合研究”？
ATLAS和CMS是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上兩個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)組，早在LHC第一輪運(yùn)行時(shí)期，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組就在測(cè)量希格斯粒子質(zhì)量時(shí)有過(guò)合作。
來(lái)自CMS的LHC希格斯聯(lián)合分析組共同召集人、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員陳明水介紹，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)相似，但各有長(zhǎng)處的探測(cè)器，CMS在繆子探測(cè)上具有很高的靈敏度，而ATLAS勝在對(duì)大動(dòng)量末態(tài)粒子的監(jiān)測(cè)。
“兩個(gè)相互獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)不僅可以交叉檢驗(yàn)重要結(jié)果，還可以聯(lián)合起來(lái)充分利用數(shù)據(jù)，提高測(cè)量精度與顯著性。”陳明水告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
2020年，黃燕萍帶領(lǐng)ATLAS團(tuán)隊(duì)，完成了希格斯粒子到Z玻色子、光子的尋找，但分析結(jié)果的統(tǒng)計(jì)顯著性只有2.2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，而只有在這一結(jié)果超過(guò)3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差時(shí)，才能被判定為“觀測(cè)到衰變跡象”。
為了提高顯著性，黃燕萍向ATLAS與CMS上設(shè)的管理組提出申請(qǐng)，建議對(duì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組在LHC第二輪運(yùn)行時(shí)的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析。
2022年，CMS也獨(dú)立完成了希格斯粒子到Z玻色子、光子稀有衰變的測(cè)量，統(tǒng)計(jì)顯著性只有2.7倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。
兩個(gè)探測(cè)器團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)內(nèi)部協(xié)商后，決定將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合研究。
經(jīng)過(guò)聯(lián)合測(cè)量，分析結(jié)果的統(tǒng)計(jì)顯著性達(dá)到3.4倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。這一結(jié)果超過(guò)了通常被認(rèn)為是“實(shí)驗(yàn)證據(jù)”的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差閾值，被判定為“觀測(cè)到衰變跡象”。
研究希格斯粒子的終極目標(biāo)是什么？
因?yàn)橄８袼沽Ｗ赢a(chǎn)生后在極短時(shí)間內(nèi)衰變成其他粒子，粒子物理學(xué)家對(duì)希格斯粒子的研究，大多圍繞著其衰變產(chǎn)物進(jìn)行。
陳明水告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，粒子物理學(xué)家正在研究希格斯粒子的各類衰變過(guò)程，如希格斯粒子衰變到正反底夸克、雙光子、正反繆子等的過(guò)程。
黃燕萍表示，觀測(cè)到稀有衰變跡象，只是研究這一稀有衰變的“第一步”，“后續(xù)我們希望將實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯著性提高至5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，以期從中發(fā)現(xiàn)符合預(yù)期或超出預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果”。
不過(guò)，他們對(duì)希格斯粒子的研究，并不限于希格斯粒子的衰變過(guò)程。
“希格斯粒子研究的終極目標(biāo)是要發(fā)現(xiàn)并檢驗(yàn)希格斯粒子本身的質(zhì)量起源，也可以說(shuō)是解剖‘上帝’。”陳明水說(shuō)。
最近，黃燕萍耗時(shí)近6年，終于完成了ATLAS探測(cè)器的能量精確刻度，由此提升了希格斯質(zhì)量測(cè)量的精度。
除了不斷完善研究“工具”之外，希格斯粒子的自相互作用也是科學(xué)家們關(guān)注的最重要問(wèn)題。
目前，希格斯粒子與費(fèi)米子、玻色子等粒子的相互作用已被陸續(xù)驗(yàn)證，而希格斯粒子自相互作用的具體機(jī)制仍不明朗。
“標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言，希格斯粒子可以通過(guò)自相互作用獲得質(zhì)量。”陳明水解釋，他們一直想弄明白的問(wèn)題是“希格斯粒子為所有基本粒子提供了質(zhì)量，那它自己的質(zhì)量從何而來(lái)”。
正因如此，通過(guò)研究雙希格斯粒子的產(chǎn)生過(guò)程，測(cè)量希格斯粒子自相互作用，已成為研究熱點(diǎn)。
為什么要建“希格斯工廠”？
當(dāng)前，不少希望做希格斯粒子研究的粒子物理學(xué)家都對(duì)“希格斯工廠”寄予厚望。日本的國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)（ILC）、歐洲的未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCC）與中國(guó)的大型環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）項(xiàng)目都是其中的代表性計(jì)劃。
那么，既然現(xiàn)有裝備可以開展希格斯粒子研究，為什么粒子物理學(xué)家還在呼吁建設(shè)“希格斯工廠”呢？
“‘希格斯工廠’的物理過(guò)程更‘干凈’。”陳明水說(shuō)。
目前，LHC采用質(zhì)子對(duì)撞方式，盡管能夠產(chǎn)生大量希格斯粒子，但碰撞過(guò)程復(fù)雜，會(huì)生成大量與希格斯粒子研究無(wú)關(guān)的物質(zhì)，在探測(cè)器內(nèi)造成干擾，使得實(shí)際采集到和用于分析的粒子數(shù)量有限。
如果采用正負(fù)電子對(duì)撞的方式，獲得希格斯粒子的過(guò)程中，干擾粒子少，采集到的希格斯粒子都可以用來(lái)做精確分析，使得希格斯粒子的許多屬性的測(cè)量精度提升一個(gè)量級(jí)。
據(jù)悉，目前，中國(guó)、日本和歐洲的“希格斯工廠”計(jì)劃都在推進(jìn)之中。中國(guó)CEPC項(xiàng)目研究工作組不斷優(yōu)化加速器的設(shè)計(jì)，于2023年12月25日正式發(fā)布了《加速器技術(shù)設(shè)計(jì)報(bào)告》。日本的ILC項(xiàng)目則調(diào)整了對(duì)撞機(jī)的設(shè)計(jì)規(guī)模，等待政府的進(jìn)一步評(píng)估和決策。而CERN則從選址、技術(shù)等方面對(duì)FCC項(xiàng)目的可行性進(jìn)行進(jìn)一步的評(píng)估，有消息認(rèn)為其最早可能于2033年動(dòng)工。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.021803
https://doi.org/10.1016/j.physletb.2020.135754
https://doi.org/10.1007/JHEP05(2023)233
本文鏈接：研究希格斯粒子的物理學(xué)家，到底在研究些什么？http://www.lensthegame.com/show-11-3091-0.html
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