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希格斯玻骰子發覺十華誕|淺談希格斯粒子

更新時間:2023-11-06 文章作者:佚名 信息來源:網絡整理 閱讀次數:

·希格斯玻骰子發覺于2012年,是粒子化學學研究中的一件劃時代的大事。它在粒子化學的“標準模型”中起關鍵性作用,通過神秘的對稱性破缺機制給基本粒子帶來質量,和深奧詭譎的量子真空息息相關,也被覺得在宇宙演變的極初期起重要作用。在希格斯玻骰子發覺十華誕之際,文章將從科普視角出發,描畫希格斯玻骰子的理論背景、粒子特點、實驗偵測、研究現況和展望,揭露希格斯玻骰子的神秘面紗,理解它的過去、現在和未來。qFF物理好資源網(原物理ok網)

1、引言qFF物理好資源網(原物理ok網)

粒子化學學研究物質世界的最基本組成成份及其互相作用規律,探求基本粒子間的微觀“小宇宙”,追求對一系列根本問題的理解:物質究竟有沒有究級的不可再分的最小單元?基本粒子之間的互相作用有什么?形成互相作用的根本緣由是哪些?哪些是時間空間的本性?qFF物理好資源網(原物理ok網)

從古埃及時期的原子論,到現代的量子熱學,直到基于量子場論的粒子化學標準模型,人類從哲學到科學,結合理論與大量實驗發覺,逐漸構建起了一套對微觀粒子世界的成熟描述。標準模型中最后一個被實驗否認的基本粒子是希格斯玻骰子。它在媒體中常被戲稱為“上帝粒子”,其對應的希格斯場被覺得是基本粒子的質量來源,有舉足輕重的地位。粒子化學學中還有眾多重大科學問題有待探究,如暗物質本性、宇宙正反物質不對稱、中微子質量等等。qFF物理好資源網(原物理ok網)

希格斯玻骰子于2012年被發覺[1,2],直接促使提出該粒子假定[3—5]的理論學屋內的彼得·希格斯與弗朗索瓦·恩格勒獲得2013年的諾貝爾化學學獎。對希格斯粒子的研究是粒子化學學中的一個重要方向,自此由搜救模式步入了檢測模式。科學家希望通過更多的實驗數據考量這一潛藏于微觀世界深處的新事物,期盼發覺它與新數學的聯系。qFF物理好資源網(原物理ok網)

2022年正值希格斯玻骰子發覺十華誕,本文將從如下幾個方面展開:理論背景、希格斯玻骰子的特點、希格斯粒子的實驗偵測,以及希格斯化學研究的現況和展望。qFF物理好資源網(原物理ok網)

2、理論背景qFF物理好資源網(原物理ok網)

2012年7月4日,在同行們的掌聲和歡呼聲中,時任法國核子研究中心所長的化學學家RolfHeuer即將宣布:經過數六年的探求,數千名科學家在小型強子對撞機(LHC)上發覺了希格斯玻骰子。希格斯玻骰子是化學學家在理解粒子化學標準模型過程中的最后一塊拼圖,有了希格斯玻骰子,粒子化學學的標準模型也就完整了。qFF物理好資源網(原物理ok網)

粒子化學學覺得觀測到的所有物質是由基本粒子組成的。標準模型覺得世界上有三種帶電輕子:電子、繆子和陶輕子,它們參與電磁和弱互相作用。世界上有三種不帶電的中微子,它們只參與弱互相作用。原子核中的質子和中子不是基本粒子,它們是由夸克組成的。夸克是基本粒子,它們不能進一步分割。標準模型覺得世界上有六種夸克(上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克),它們參與電磁、弱以及強互相作用。量子場論覺得物質的互相作用是通過媒介玻骰子傳遞的:電磁互相作用通過光子傳遞。我們曉得依照量子熱學波粒二象性,電磁波兼有粒子的屬性,其對應的粒子就是光子。弱互相作用,比如核子的β衰變,是由W、Z玻骰子傳遞的。強互相作用是通過膠子傳遞的。隨著1995年日本費米國家實驗室發覺了頂夸克,以上這種基本粒子都早已被發覺。qFF物理好資源網(原物理ok網)

在上述的互相作用中,弱互相作用為什么這么之“弱”,是粒子化學發展史上的一個重要問題。諸如,作為一種不穩定粒子,繆子的壽命相對十分長,究其緣由是繆子的衰變來自于弱互相作用,該作用硬度低,所以衰變不易發生。最早對弱互相作用的理論闡釋是費米的“四費米子”理論,這個理論可以解釋低能區域中β衰變現象,但該理論在高能區域顯得不自洽。并且這個理論方式上和費曼、施溫格以及朝永振一郎的量子電動熱學迥然不同,讓理論化學學家不禁指責,是否還有一個更統一的理論來描述基本互相作用。qFF物理好資源網(原物理ok網)

量子電動熱學描述電磁互相作用,在這個理論中量子化的光子場傳遞互相作用。電磁勢的規范變換,賦于了這個理論所謂的U(1)規范對稱性。物理上看,U(1)對稱性相當于單位圓上的復數加法。規范對稱性的深刻看法被用于研究其他基本互相作用。蓋爾曼提出了新的基本粒子——夸克,它們是核子的組成部份。蓋爾曼覺得物理單位分子量子夸克,假如夸克存在一個新的數學自由度物理單位分子量子夸克,即三種“顏色”,這么夸克模型可以拿來描述核子譜。夸克參與強互相作用,在蓋爾曼的理論中,強互相作用是通過膠子傳遞的。楊—米爾斯理論,即非阿貝爾規范理論,被拿來描述強互相作用,并發展為量子色動力學。三種顏色對應著物理上的SU(3)規范對稱性。qFF物理好資源網(原物理ok網)

“四費米子”理論與量子電動熱學以及量子色動力學都不同,這個理論中沒有傳播互相作用的媒介粒子,也沒有規范對稱性。量子電動熱學及色動力學的耦合常數都是無量綱的,但“四費米子”理論的耦合常數是能量的負冪次。這意味著這個理論是不可重正化的,在高能區域會不自洽,需要被某個更普適的理論取代。一種嘗試是用楊—米爾斯理論描述弱互相作用,引入新的規范玻骰子,來描述弱互相作用。但是,弱互相作用是一種很弱的近程力,傳遞弱互相作用的規范玻骰子必須是有質量的,這一點和量子電動熱學及色動力學都不同。量子電動熱學的傳播子是無質量的光子,量子色動力學的傳播子是無質量的膠子。在楊—米爾斯理論中直接加入規范玻骰子質量,無法得到一個自洽的規范理論。qFF物理好資源網(原物理ok網)

要在楊—米爾斯理論的框架下建立弱互相作用模型,全新的數學看法是必不可少的。這兒成功的看法是自發對稱性破缺與希格斯機制。格拉肖、溫伯格、薩拉姆分別提出了電弱統一看法,將電磁互相作用與弱互相作用統一在楊—米爾斯理論框架之中。直接打破這些統一性,引入規范玻骰子質量,如前所述,在理論上是十分困難的。此處,自洽的建模方法是,引入自發對稱性破缺。也就是說,在統一的楊—米爾斯理論中,互相作用并不直接打破規范對稱性,但量子場的能級打破了規范對稱性。qFF物理好資源網(原物理ok網)

在我們的宏觀世界中,自發對稱性破缺雖然并不罕見。溫度下吸鐵石的能級有自發磁化,一根條形吸鐵石一端N極,一端S極,兩端的極性破壞了條形吸鐵石的對稱性。注意電磁互相作用本身不破壞對稱性,但條形吸鐵石的能級有兩個,體系選擇其中一個能級,自發地破壞了對稱性。在量子場論中,類似于吸鐵石的模型,一個所謂的標量場可能也有多個能級,這么化學體系的能級選擇自發地破壞了對稱性。這兒即將引入的標量場,就是大名鼎鼎的希格斯場(圖1)[6]。qFF物理好資源網(原物理ok網)

圖1希格斯復標量場的勢能方式[6]qFF物理好資源網(原物理ok網)

通常而言,場論中自發對稱性破缺,因為所謂的戈德斯通機制,會形成無質量的標量粒子。這么構造粒子化學模型,盡管把電磁互相作用、弱互相作用都引入到了楊—米爾斯理論的框架,但無質量的標量粒子從來沒有在實驗上發覺過,這仍然是理論上的疑難。希格斯機制最終解決了這個疑難:原本無質量的規范玻骰子吸收“吃掉”了自發對稱性破缺形成的無質量的標量粒子。這樣清除了無質量標量粒子,同時又賦于了弱互相作用規范玻骰子質量,說明了弱互相作用是一種弱的近程力。從理論基礎上看,希格斯機制是電弱互相作用統一的關鍵一步。qFF物理好資源網(原物理ok網)

在具體的模型建立中,怎樣選擇正確的對稱性和破缺方法,對于預測新粒子的種類與互相作用是極其重要的。溫伯格和薩拉姆選擇了SU(2)×U(1)對稱群以及一對復希格斯場。這對復希格斯粒子場的能級,會破壞SU(2)×U(1)對稱性,僅存的U(1)對稱性對應著電磁互相作用。被破缺的3個對稱性,因為希格斯機制,造成形成了三個有質量的規范玻骰子,分別是W+、W-和Z玻骰子。這三個粒子傳遞近程的弱互相作用。一對復希格斯場中的三個化學自由度被W和Z吞掉,剩下的惟一一個數學自由度對應的量子場論迸發態,也就是所謂的“上帝粒子”——希格斯粒子。qFF物理好資源網(原物理ok網)

希格斯場還和物質費米子場(如電子、繆子、陶輕子和夸克等)通過湯川機制耦合。在希格斯機制中,希格斯場的能級等效地變為了那些物質粒子的質量參數。淺顯地說,希格斯場給與了基本粒子質量。溫伯格與薩拉姆的電弱統一與自發對稱性破缺模型,加上描述強互相作用的量子色動力學,構成了粒子化學的標準模型。qFF物理好資源網(原物理ok網)

夸克量子粒子大小排列_量子力學夸克_物理單位分子量子夸克qFF物理好資源網(原物理ok網)

慢慢地,實驗化學學家偵測和發覺了標準模型中不僅希格斯粒子外的所有基本粒子。幾六年來,只有希格斯玻骰子躲開了所有偵測它的嘗試——直到2012年7月4日,日內瓦西歐核子研究中心即將宣布希格斯玻骰子被發覺,標準模型的最后一塊拼圖完整了。這是自然界中第一種載流子為零的基本粒子。qFF物理好資源網(原物理ok網)

標準模型被覺得是完整的,但還有好多問題都遠未得到解答。qFF物理好資源網(原物理ok網)

3、希格斯粒子的特點qFF物理好資源網(原物理ok網)

作為一個基本粒子,希格斯粒子也有其獨到的量子參數。作為自然界基本粒子中惟一的標量玻骰子,根據標準模型預言,其載流子為0、宇稱為正。標準模型的希格斯機制除了賦于了W、Z規范玻骰子的質量,也決定了其與標準模型中其他基本粒子的互相作用。希格斯粒子作為一個玻骰子是相當活躍的,可以與費米子以及其他規范玻骰子形成互相作用。具體來說,希格斯粒子與費米子互相作用的耦合硬度與費米子的質量成反比,因此在標準模型里希格斯粒子與質量最大的頂夸克的互相作用最強,與電子的互相作用耦合硬度最弱。而在標準模型里中微子沒有質量,因此希格斯粒子不與中微子形成互相作用。希格斯粒子與費米子的互相作用也被稱為湯川耦合,也正是從這一互相作用中,費米子獲得了質量。希格斯粒子與有質量的W、Z玻骰子之間存在規范互相作用,而與無質量的光子和膠子沒有互相作用。據悉,希格斯粒子與自身也會形成互相作用,包括三希格斯粒子和四希格斯粒子耦合,被稱為希格斯粒子的自互相作用。qFF物理好資源網(原物理ok網)

值得一提的是,希格斯粒子幾乎所有的數學特點均由理論預言,惟獨其質量是一個自由參數,須要由實驗來檢測。而正由于希格斯粒子質量的不確定性,實驗學家們耗費了巨大的時間和精力來找尋這一粒子,由于她們須要像大海撈針一樣在未知的質量區間去找尋可能的希格斯粒子訊號。希格斯粒子的質量似乎是一個自由參數,但它卻與希格斯粒子的自互相作用耦合常數存在關聯性,兩者只要能確定其二,另一個參數也就確定了。與希格斯粒子質量相關的另一個重要量子參數是其質量長度或衰變長度。根據理論預言,一旦質量確定了,其質量長度也急劇確定了,而質量長度決定了粒子的壽命。2012年發覺的希格斯粒子,其質量大概是125GeV,相當于質子質量的130倍,是標準模型的基本粒子里質量僅次于頂夸克的第二重的粒子。qFF物理好資源網(原物理ok網)

希格斯粒子的重要性不僅僅在于它背后的希格斯機制是基本粒子的質量起源,但是在于它與超出標準模型的新數學以及宇宙學等存在深刻的聯系。一個典型的事例是矢量玻骰子之間的互相作用。根據標準模型預言,矢量玻骰子之間可以發生散射過程,其散射振幅包含了希格斯粒子與矢量玻骰子之間的耦合。估算表明,假若沒有希格斯粒子參與,這個散射振幅與入射粒子對的剛體能量平方成反比。這意味著在沒有希格斯粒子的情況下,這個散射振幅在能量很高時會發散,也就意味著會有新的化學現象出現。盡管希格斯粒子的出現可以防止這一發散的發生,但這只是諸多可能性的一種,并沒有理由覺得沒有其他的超出標準模型的新化學會參與這一矢量玻骰子的散射過程。上面提及,希格斯粒子是弱互相作用自發對稱破缺的重要參與者,這一相變過程發生在宇宙演變的極初期。而希格斯粒子的自互相作用決定了希格斯場的勢能,這一勢能函數也決定了電弱對稱性破缺的相變過程,意味著希格斯粒子與宇宙演變有著深刻的聯系。qFF物理好資源網(原物理ok網)

希格斯玻骰子與其他粒子的互相作用為化學學家們在實驗起來找尋希格斯粒子指明了方向。按照它與其余粒子的互相作用,希格斯粒子可以在高能量對撞機中形成下來,例如LHC。LHC可以將質子加速到極高的能量,質子—質子質情系能量可以達到14TeV。LHC上希格斯粒子的形成模式比較復雜,估算表明,其主要形成模式是膠子—膠子融合過程,形成截面的占比約80%,其他形成模式依次是玻骰子融合、玻骰子伴隨以及頂夸克對伴隨形成過程。事實上,LHC上希格斯粒子的總形成截面是可觀的,因而LHC實際是一個“希格斯玻骰子鞋廠”。qFF物理好資源網(原物理ok網)

其實在LHC里能形成大量的希格斯玻骰子,但希格斯粒子的壽命非常短暫以至于其形成頓時就衰變了。如同自然界的放射性衰變現象一樣,一個粒子衰變后會得到其他的產物。因為希格斯粒子十分活躍,其衰變機理也相當的復雜。化學學家們用衰變的機率,也就是衰變分支比,來評判粒子發生某種特定衰變過程的難易程度。希格斯粒子的衰變分支比取決于幾個相應的化學參數,比如希格斯粒子的質量、衰變末態粒子的質量,以及希格斯粒子與衰變末態粒子之間的耦合硬度等。一旦希格斯粒子的質量確定了,這么它在LHC上各類形成過程的截面和各個衰變末態的分支比就相應地確定了(圖2)[7]。例如對于質量為125GeV的希格斯玻骰子,它最主要的衰變末態是兩個底夸克,分支比約為56%,其次是衰變到兩個W玻骰子(23%),其他各個玻骰子或費米子末態的分支比大小不一。qFF物理好資源網(原物理ok網)

圖2質子—質子對撞機上希格斯玻骰子的形成截面(a)和衰變分支比(b)[7]qFF物理好資源網(原物理ok網)

事實上,在實驗上觀測到希格斯粒子的訊號是非常復雜和具有挑戰性的一項任務。因為希格斯粒子具有不同的形成和衰變模式,兩者可以任意組合,就意味著有好多的途徑去找尋希格斯粒子訊號。形成的截面越高,衰變分支比越大,就代表著可以觀測到越多的希格斯粒子例子,反之就越少,如圖2所示。據悉,希格斯粒子的衰變末態是須要通過實驗儀器來偵測到的,不同末態粒子的偵測方式和難易程度也相差很大。例如對于衰變分支比最大的頂夸克對要遠比衰變分支比小得多的四輕子末態偵測上去愈加困難。讓找尋希格斯粒子的任務愈發繁重的是,LHC除了是一個希格斯鞋廠,它就會形成數據量更大的其他化學過程,例如頂夸克形成過程、矢量玻骰子形成過程等,但是實驗儀器偵測到的數據是那些不同的化學過程混雜在一起的。要從海量的數據里找尋出希格斯粒子的訊號,用“大海撈針”來描述并非夸張。qFF物理好資源網(原物理ok網)

4、實驗偵測qFF物理好資源網(原物理ok網)

如前所述,希格斯粒子的實驗現象非常稀有,須要從海量的噪音中如“大海撈針”一般去找尋它,加之它的質量無確定預言,這種誘因給找尋工作帶來了極大的困難。事實上,從希格斯機制、希格斯粒子的提出(1964年)到它的發覺(2012年),長達近半個世紀,這也從側面反映了實驗偵測的堅苦卓著。qFF物理好資源網(原物理ok網)

實驗上,科學家借助粒子加速器將常見的易獲取的粒子(如電子、質子)加速到很高能量,之后轟擊靶材料(打靶實驗),或則與另外一束高能粒子相向對碰(對撞機實驗),形成微觀粒子世界的互相作用。只要剛體能量足夠,互相作用初始條件合適,就有可能形成可觀的科學家們感興趣的微觀現象(即訊號過程)。其實,例如希格斯玻骰子這樣的不穩定粒子幾乎立刻衰變,最終觀測到的實驗末態包含的雖然都是相對長壽命的粒子或現象,如光子、電子、繆子、陶輕子以及量子色動力學噴注等。只不過,這樣看似尋常的實驗末態中蘊藏著我們孜孜求索的訊號的痕跡。偵測這種實驗末態并進行數據分析可以獲得與訊號過程相關的數學結果。下邊描述實驗偵測中的幾個關鍵環節。qFF物理好資源網(原物理ok網)

首先,粒子加速器要能將參與反應的粒子加速到足夠的能量。科學家一般借助強電場來加速帶電粒子,形成醫用X射線的大型電子加速器寬度在米量級,而要觸摸到希格斯玻骰子所在的電弱化學能標,直線加速器的厚度得在十公里量級。假如參與反應的粒子只有小部份能量轉換為目標粒子的質量,則實際加速能量須要更高,加速寬度須要更長,在適宜的條件下,常常采用環型加速器。粒子在圓圈中循環往復地加速和儲存,等待時機參與粒子間的互相作用。LHC是目前最大的環型加速器,周歷時27km。這樣的巨型設施須要的是全世界之合力,且合并的不僅僅是人力智慧,還包括各類尖端技術,如用于加速的超導射頻腔、偏轉準直的超導吸鐵石和控制檢測的超快抗幅射電子學系統等。qFF物理好資源網(原物理ok網)

其次,須要極度大量重復實驗才可探究如希格斯玻骰子這樣的稀有現象。我們曉得,微觀世界的觀測量都是由一定的統計分布描述的。實驗上確切檢測這種分布,能夠探求其背后的深刻數學,而要確切獲得分布的概貌其實須要大統計量的重復實驗。另外,微觀世界的反應是非常復雜的,例如在LHC上,高能質子—質子對碰形成的是一個“萬花筒”,每朵“花”對應一個反應過程,有不同的出現機率。包含希格斯玻骰子的反應過程的出現機率非常低,低至每每質子—質子互相作用約一百億次,才會出現一次希格斯玻骰子。正是由于這種誘因,加速器要能在有限的時間內(通常數年)盡可能多地觸發反應(對應的實驗術語叫積分色溫),同時龐大的設施在經年累月的運行中要保證足夠穩定,防止差錯。qFF物理好資源網(原物理ok網)

最后,依賴高精度的偵測與精湛的數據剖析就能獲得數學結果。上面說過,大量重復實驗后,極少數的實驗末態中才有可能有訊號的蹤跡,科學家借助小型但又精密的偵測器去全面捕獲末態的信息。如希格斯玻骰子那樣的目標粒子誕生于實驗反應的時間、坐標零點,但頃刻即逝,最終衰變產物次級粒子吞沒在動輒數百粒子的實驗末態中。為此,偵測器必須有能力追蹤每一個末態粒子,并確切檢測它的路徑、能量、種類等信息,最終我們借助這種信息探尋零點發生了哪些(術語叫“重建”)。圖3展示了ATLAS實驗對希格斯粒子衰變為雙繆子實驗末態的一次偵測。探源知著的總體科學目標促使對這種檢測的精度要求十分苛刻,誕生與發展了一系列先進的偵測技術,其中許多技術后來又廣泛應用于國計民生,如醫學成像、地球鉆探,幅射偵測等。大統計量的實驗末態集合減去每位末態對應的大量偵測器信息,構成了一個真正意義上的大數據集。科學家們當心翼翼地舉辦大數據剖析,對比模擬數據和真實數據,應用來自偵測器和來自理論估算的修正因子,巧妙地借助化學規律設計篩選條件來壓制噪音,增強訊號偵測的明顯程度。經過反復磨煉的數據剖析最終給出可靠的數學推論和令人信服的偏差剖析。qFF物理好資源網(原物理ok網)

圖3LHC上ATLAS實驗偵測到的一次希格斯粒子衰變為雙繆子實驗末態的圖象展示。白色徑跡為繆子,圖中展示了部份偵測器結構(圖片來源:法國核子中心)qFF物理好資源網(原物理ok網)

受限于篇幅,關于實驗偵測的更深入的介紹難以展開,但筆者希望如上的描述能幫助讀者從大方向上掌握實驗偵測的宏大精妙之處。討論完這種基本環節過后,下邊詳盡描述希格斯粒子的探求歷程。qFF物理好資源網(原物理ok網)

物理單位分子量子夸克_夸克量子粒子大小排列_量子力學夸克qFF物理好資源網(原物理ok網)

真正系統性地對希格斯粒子進行現象學討論和實驗找尋的起點大體可以溯源回1975年附近。那時,通過對低能核化學數據進行剖析,并借助低能強子對撞,科學家在兆電子伏和吉電子伏區間對希格斯玻骰子進行找尋,即便并沒有找到其存在的征兆,因而推斷它的質量應當在這個能量段之上。qFF物理好資源網(原物理ok網)

時間來到了小型對撞機時代中的20世紀90年代,科學家們重點在法國核子研究中心的小型正負電子對撞機(LEP)以及澳洲費米國家實驗室的質子—反質子對撞機()上找尋希格斯玻骰子。LEP運行到千禧年而后停機改導致LHC,而運行到2011年。LEP上沒有找到希格斯玻骰子的征兆,給出了質量下限114GeV,而上的數據剖析到2011年也未有發覺,排除了156—177GeV區間。考慮到最終發覺希格斯玻骰子的質量為125GeV,可以說這兩次嘗試都很接近,但因為歷史的碰巧性,是不辛運的。LEP受限于對撞能量,而受限于統計量。qFF物理好資源網(原物理ok網)

值得一提的是,現象學研究對找尋希格斯玻骰子來說非常重要。考慮標準模型是基于量子場論的一個可重正化理論,它決定了希格斯玻骰子的質量與電弱理論中的其他許多數學量之間有內在聯系,精確檢測這種化學量(如W玻骰子質量等)可以間接限制希格斯玻骰子的質量。在發覺希格斯玻骰子的前夕,這樣的研究給出了質量的最可期區間120—130GeV。qFF物理好資源網(原物理ok網)

希格斯玻骰子的發覺定格在2012年7月4號,LHC上的小型國際合作實驗ATLAS和CMS共同宣布以很高的統計置信度發覺了疑似希格斯玻骰子的粒子。發覺該粒子主要采用了偵測靈敏度最高的希格斯玻骰子衰變到雙Z玻骰子、雙光子以及雙W玻骰子末態。以雙Z玻骰子最終衰變到4個帶電輕子末態為例,真正測得的希格斯玻骰子屈指可數,但該末態雜訊挺好,因而統計上非常重要;這種訊號是在近1013倍于己身的噪音數據集中發覺的!在粒子化學實驗領域,發覺新粒子常常敘述成:真實數據以幾倍高斯標準誤差的明顯度否決了沒有訊號存在的假定檢驗。2012年的發覺于單個實驗都是5倍標準誤差統計明顯度,等效于說不存在這個新粒子的可能性為百萬分之一。qFF物理好資源網(原物理ok網)

這個重大發覺具有劃時代的意義,它幫助彌補了標準模型的最后一塊拼圖,致使標準模型電弱統一得以真正完成,而基本粒子的質量有了真正理論來源。早期的研究發覺這個新粒子基本符合期盼已久的希格斯玻骰子,但其真正自然本性有待更大統計量數據的精確檢驗。qFF物理好資源網(原物理ok網)

5、展望qFF物理好資源網(原物理ok網)

希格斯玻骰子的發覺具有里程碑意義,2012年以后,希格斯化學時代自然就將至了:這樣一個新生的神秘的“舊”事物值得仔細考量,研究它的粒子內稟屬性,研究它和其余基本粒子的耦合,研究它背后希格斯機制的自洽性(如雙玻骰子散射過程),以及研究它和新數學(如暗物質)的關聯等。希格斯化學研究成為當下粒子化學學的一個核心方向。從2012年的8TeV對撞剛體能量往前,LHC的質子—質子對撞能量繼續增強到13—13.6TeV,創造了新的世界紀錄。六年后的明天,獲得的希格斯粒子數量相較2012年下降了近15倍,科學家們陸續驗證了它的標量粒子特點、它與一系列基本粒子(頂夸克、底夸克、Z玻骰子、W玻骰子、陶輕子、繆子)的耦合,并將一些主要希格斯過程的檢測精度提高至10%[8,9]。qFF物理好資源網(原物理ok網)

科學家們大體早已認可了這個希格斯玻骰子確實是標準模型須要的那種粒子。希格斯化學研究的未來也許會更加多樣化:繼續探求LHC實驗上可觀的希格斯過程,精確檢驗標準模型預言;充分借助LHC實驗數據探求稀有希格斯化學過程,如希格斯玻骰子與更輕費米子的耦合、其自耦合,以及其不可見衰變等,以期發覺異常,闡明其與新數學現象的關系;探求希格斯玻骰子在宇宙演變、真空電弱相變中的作用,闡述可能的互補實驗觀測等等。如今是希格斯數學的第一個六年,希望第二個、第三個六年時會有新的興奮人心的發覺。qFF物理好資源網(原物理ok網)

參考文獻qFF物理好資源網(原物理ok網)

[1]ATLAS.Phys.Lett.B,2012,716:1qFF物理好資源網(原物理ok網)

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[8]ATLAS.,2022,607(7917):52qFF物理好資源網(原物理ok網)

[9]CMS.,2022,607(7917):60qFF物理好資源網(原物理ok網)

(作者吳雨生和徐來林來自中國科學技術學院粒子科學技術研究中心和核偵測與核電子學國家重點實驗室,張揚來自中國科學技術學院交叉學科理論研究中心和彭桓武高能基礎理論研究中心。原標題《漫談希格斯粒子》,本文首發于《物理》2022年第11期。澎湃科技獲授權轉發。)qFF物理好資源網(原物理ok網)

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