第一次觀測到希格斯玻色子衰變為b夸克 - 博科園

2020-12-03 博科園

博科園-科學科普-粒子物理學類

7月9日在韓國首爾舉行的2018年國際高能物理學會議(ICHEP)上，阿特拉斯實驗報告了初步結果：證明了對希格斯玻色子衰變為對b夸克的觀測，而且速度與標準模型預測一致。brout - engler - higgs機制解決了弱矢量玻色子(W和Z)具有質量的明顯理論不可能性。2012年希格斯玻色子的發現是標準模型的勝利。希格斯場還可以通過與湯川耦合的相互作用，以一種優雅的方式為帶電費米子(夸克和輕子)賦予其質量，其強度與粒子質量成正比。觀察τ的希格斯玻色子衰變成雙輕子的第一個直接證據提供這種類型的交互。

圖0：事件顯示H→bb衰減分析ATLAS探測器。圖片：ATLAS Collaboration/CERN

在發現希格斯玻色子六年後，歐洲核子研究中心(CERN)的阿特拉斯(ATLAS)實驗觀測到了標準模型中預測約30%的希格斯玻色子衰變。然而希格斯玻色子的青睞衰變一雙b夸克(H→bb)，預計佔近60%的所有可能衰變仍然難以捉摸。觀察這種衰變模式並測量其速率是通過湯川相互作用來確定或不確定費米子質量生成的必要步驟，正如標準模型所預測的那樣。在韓國首爾舉行的2018年國際高能物理學會議(ICHEP)上，阿特拉斯實驗報告了初步結果，證明了對希格斯玻色子衰變為對b夸克的觀測，其速度與標準模型預測一致。

有必要在300萬分之一的範圍內排除衰減檢測是由背景波動引起的，而背景波動可以模擬這一過程。當這樣的概率只有千分之一時，檢測就被稱為「證據」。證據提供的H→bb衰變首次在2012年Tevatron和一年前的ATLAS和CMS合作。考慮到大量的H→bb衰變，多少少衰變模式如H→γγ已經觀察到的時候發現，為什麼要這麼長時間才實現這個觀察?主要的原因是，在質子-質子相互作用過程中，希格斯玻色子的生產過程導致了單對粒子噴流，起因是b夸克(b-jets)的破碎。這些幾乎不可能與強相互作用(量子色動力學或QCD)產生的b-夸克對的壓倒性背景區分開來。為了克服這一挑戰，有必要考慮產生過程，這些過程不那麼豐富，但具有QCD中沒有的特性。

圖1：在（W）（H bb）搜索通道中mbb的分布。信號用紅色表示不同的背景用不同的顏色表示，數據顯示為帶有錯誤條的點。圖片：ATLAS Collaboration/CERN

其中最有效的是希格斯玻色子與向量的相關生產玻色子,W和Z輕子衰變,W→ν,Z→和Z→νν(代表一個電子或μ介子)提供「」籤名「」，允許有效的觸發和強大的量子色背景減少。然而希格斯玻色子信號的數量級仍然小於由頂夸克或矢量玻色子產生的剩餘背景，這導致了類似的特徵。例如一對頂夸克可以衰變tt→[(W→ν)b][(W→qq)b]與含有一個電子的最終狀態或一個μ介子和兩個b夸克,完全的(W→ν)(H→bb)信號。區分這些背景信號的主要處理方法是用複雜的「b標記」算法識別的b-jet對的不變質量mbb。這種質量分布的一個例子如圖1所示，其中信號和背景分量的總和與數據對應。

當將所有WH和ZH通道組合在一起，並從數據中減去背景(除了WZ和ZZ生產)時，圖2所示的分布顯示出Z boson產生的一個清晰的峰向b-夸克對衰減，驗證了分析過程。上側的形狀和速度與希格斯玻色子產生的期望一致。然而這還不足以達到可以作為觀察合格的檢測水平。為此b-jet對的質量與其他運動學變量結合在一起，這些變量顯示了信號與不同背景之間的顯著差異，例如兩個b-jet之間的角分離，或相關矢量玻色子的橫向動量。使用增強決策樹(BDTs)技術進行多變量組合。這裡顯示的是來自所有通道的BDT輸出的組合，按照信號-背景比重新排序。可以看出，信號與標準模型所期望的分布密切相關。

圖2：除WZ和ZZ產生以外的所有背景下所有搜索通道的mbb分布，數據(帶有錯誤條的點)與WZ和ZZ(灰色)以及WH和ZH(紅色)生產的期望進行了比較。圖片：ATLAS Collaboration/CERN

BDT輸出經過複雜的統計分析，以提取信號的「顯著性」。這是另一個衡量一個假的概率的方法觀察標準差,σ,高斯分布，神奇的數字對應的觀測信號是5σ。13 TeV的分析收集的數據阿特拉斯在LHC運行2 2015年,2016年和2017年導致4.9σ的意義——幾乎足以聲稱觀察。這個結果從類似的分析,結合這些運行1 H的阿特拉斯和來自其他搜索的數據→bb衰變模式,即希格斯玻色子的產生與一雙頂夸克或通過一個過程稱為向量玻色子融合(VBF)，通過這種組合是5.4σ。

此外結合現狀分析與其他目標希格斯玻色子衰變雙光子和Z玻色子以13 TeV提供相關的觀察5.3σVH(V = Z和W)生產，符合標準模型預測。在強子對撞機上，所有四種主要的希格斯玻色子產生模式現在都已被觀測到，其中兩種是今年才觀測到的。(1)膠子與希格斯玻色子的融合;(2)弱玻色子與希格斯玻色子的融合；通過這些觀察，希格斯粒子領域的詳細測量開創了一個新時代，通過這個時代，標準模型將進一步受到挑戰。

博科園-科學科普｜研究/來自：ATLAS Experiment

博科園-傳遞宇宙科學之美

相關焦點

  • 科學家真了不起,從發現到測量:希格斯玻色子,衰變成底夸克!
    兩年前，科學家觀察到希格斯玻色子（上帝粒子）衰變成一對底夸克(HBB)，現在將其研究從「發現時代」推進到「測量時代」。通過測量希格斯玻色子的性質，並將其與理論預測進行比較，物理學家可以更好地理解這種獨特的粒子，並在這個過程中，尋找與預測的偏差，這些預測將指向超出科學界目前對粒子物理學理解的新物理過程。
  • 科學家真了不起，從發現到測量：希格斯玻色子，衰變成底夸克！
    兩年前，科學家觀察到希格斯玻色子（上帝粒子）衰變成一對底夸克(H→BB)，現在將其研究從「發現時代」推進到「測量時代」。通過測量希格斯玻色子的性質，並將其與理論預測進行比較，物理學家可以更好地理解這種獨特的粒子，並在這個過程中，尋找與預測的偏差，這些預測將指向超出科學界目前對粒子物理學理解的新物理過程。其中一個偏差可能是在特定條件下產生希格斯玻色子的速率。
  • 雙光子通道中希格斯玻色子與頂夸克的耦合!
    年歐洲核子研究中心(CERN)ATLAS和CMS合作項目宣布，觀測到希格斯玻色子與一個名為「ttH」的頂夸克對產生。這個結果是第一次觀察到希格斯玻色子與夸克的耦合，緊隨其後的是對希格斯玻色子衰變為底夸克的觀察。由於只有大約1%的希格斯玻色子是由大型強子對撞機(LHC)頂夸克對產生的，因此實現這一觀測尤其具有挑戰性！並由ATLAS Experiment 2019年4月9日公布。
  • 這就是希格斯玻色子衰變的過程以及對粒子物理的意義
    2012年物理學家發現了希格斯玻色子(Higgs boson)。希格斯玻色子是由標準模型預測的一種基本粒子，與物體的質量有關。但這一發現並沒有標誌著希格斯玻色子探索的結束。除了預測希格斯玻色子粒子的存在，標準模型還假設60%的情況下，希格斯玻色子粒子將衰變為基本粒子，即底夸克(b夸克)。
  • 這就是希格斯玻色子衰變過程以及對粒子物理學的意義
    除了預測希格斯玻色子粒子的存在，標準模型還假設60%的情況下，希格斯玻色子粒子將衰變為基本粒子，即底夸克(b夸克)。希格斯玻色子粒子衰變為兩個底部夸克的阿特拉斯候選事件，歐洲核子研究中心的物理學家最近觀察到這個過程，進一步證實了粒子物理學的標準模型。
  • 希格斯玻色子最終被觀察到衰變為稱為底夸克的基本粒子
    在最初發現的六年後， 希格斯玻色子 最終被觀察到衰變為稱為底夸克的基本粒子。粒子物理學的標準模型 預測，大約60%的時間希格斯玻色子會衰變成一對底夸克，這是六種夸克中第二重的夸克。測試這個預測是至關重要的，因為結果要麼支持標準模型 - 這是基於希格斯場賦予夸克和其他具有質量的基本粒子的想法 - 或者搖擺其基礎並指向新的物理學。發現這種常見的希格斯 - 玻色子衰變通道絕非易事，正如玻色子發現後的六年時間 所示。
  • 上帝粒子也會衰變！最新發現：希格斯玻色子，會衰變為μ子對！
    在標準模型中，布倫-恩格勒-希格斯預測希格斯玻色子將與物質粒子(夸克和輕子，稱為費米子)相互作用，其強度與粒子的質量成正比，還預測希格斯玻色子將與力載體粒子(W和Z玻色子)相互作用，其強度與粒子質量的平方成正比，因此，通過測量希格斯玻色子的衰變和產生速率。
  • 最新發現:上帝粒子也會衰變,希格斯玻色子會衰變為μ子對!
    本文參加百家號科學#了不起的基礎科學#系列徵文上帝粒子-希格斯玻色子還能讓我們大吃一驚嗎？自2012年發現以來，歐洲核子研究中心ATLAS和CMS合作一直在積極研究這一最新、最神秘的粒子物理學標準模型附加特性。
  • LHC探測到希格斯粒子衰變為頂夸克與底夸克
    年探測到希格斯玻色子以來，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）在持續積累數據的過程中，不斷取得穩步進展。夸克粒子如何具有質量這一問題，使理論物理學家非常困擾。為了解決這一問題，物理學家預言，在宇宙中應該存在一個新的量子能量場，它存在於宇宙中的任何地方。粒子可以通過與這個場相互作用而獲得質量。正如光子是電磁場中的量子漣漪一樣，新的「質量」場可以激發一種新的粒子，也就是希格斯玻色子。希格斯玻色子是以提出這一想法的其中一位理論物理學家的名字命名的。
  • 首次觀察到希格斯玻色子最重要衰變
    據物理學家組織網11日報導，歐洲核子研究中心（CERN）大型強子對撞機（LHC）超環面儀器實驗組（ATLAS）在官網公布實驗證據，宣布其首次觀察到希格斯玻色子衰變成兩個底夸克這一重要過程，兩輪實驗數據結合後，標準誤差為3.9西格瑪，符合「觀察到某種現象」的統計學要求。
  • 希格斯玻色子之謎又有新線索啦!
    早在2012年歐洲核子研究中心的ATLAS和CMS實驗發現了希格斯玻色子，但它與其他粒子的耦合仍然是個謎。幸運的是，大型強子對撞機為測量希格斯玻色子耦合提供了許多窗口。產生希格斯玻色子的主要方式有四種：通過兩個膠子粒子的融合(膠子融合，或ggF)，通過弱矢量玻色子(VBF)的融合，或與W或Z玻色子(VH)或一個或多個頂夸克(ttH+tH)的結合。希格斯玻色子可以衰變的主要通道有五個：光子對、W或Z玻色子、tau輕子或b夸克，新研究發現於2019年5月7日公布。
  • 強子對撞機抓住「上帝」的秘密 科學家成功觀測到希格斯玻色子的最...
    昨天，歐洲大型強子對撞機項目的超環面儀器實驗(ATLAS)和CMS團隊共同宣布，他們觀測到了「上帝粒子」希格斯玻色子在衰變時轉變為底夸克的過程。他們預測，這是希格斯玻色子衰變最常見的方式。由於背景噪音與這種微妙的信號非常接近，希格斯玻色子還未能分離出來，不過，這也是在理解希格斯粒子和基本粒子質量獲得過程上，邁出的一大步。
  • 發現罕見事件,希格斯玻色子衰變成Z玻色子/光子對
    希格斯玻色子的發現讓粒子學標準模型趨於完備，從2012年至今，科學家陸續觀察到一些重要衰變過程，然而還沒觀察到它們衰變成罕見的Z玻色子/光子對（Zγ）——直到最近。這道衰變對物理學家來說特別有意義，因為其中可能涉及大量「虛擬」粒子（可能是新粒子）參與。
  • 歐洲核子研究中心宣布首次觀測到希格斯玻色子衰變為兩個渺子
    首次觀測到希格斯玻色子衰變為兩個渺子>歐洲核子研究中心在第40屆國際高能物理大會上宣布，「ATLAS超環面儀器」和「CMS緊湊型繆子螺線管探測器」已經觀測到希格斯玻色子衰變為兩個μ子（渺子）的過程。電子被歸為第一代粒子，而渺子屬於第二代粒子。希格斯玻色子衰變為渺子的物理過程是一個罕見的現象，因為大約每5000個希格斯玻色子中只有一個衰變為渺子。這一新發現對基礎物理學具有舉足輕重的意義，因為它首次證明希格斯玻色子與第二代基本粒子相互作用。自從2012年發現希格斯玻色子以來，歐洲核子研究中心的物理學家一直在研究它，希望探究這種非常特殊的粒子的特性。
  • 物理學:希格斯玻色子頂級夸克與裡程碑對撞機的發現有關?
    物理學：希格斯玻色子頂級夸克與裡程碑對撞機的發現有關？來自CMS團隊和另一項稱為ATLAS的合作測量結果表明希格斯玻色子在頂夸克質量的大值中起著關鍵作用。雖然這肯定是標準模型的一個關鍵特徵 - 物理學中的總體理論描述了物質的基本組成部分和管理它們相互作用的力量 - 這是第一次通過實驗驗證一位發言人稱之為「壓倒一切的重要性。
  • 希格斯玻色子十萬億分之一秒之後的衰變之謎
    科學家們可能已經觀察到希格斯玻色子正在做一個新的把戲：製造成對的μ子。另一種觀點是：質量越大，基本粒子與希格斯玻色子（及其場）的相互作用或耦合就越強烈。證明希格斯粒子和其他粒子之間耦合的一種方法是觀察它的衰變產物。希格斯玻色子的存在是轉瞬即逝的，一旦它彈出，它「存活」的時間只有156000億分之一秒，幾乎立即分裂成其他粒子。
  • 希格斯玻色子到底蘊藏著什麼秘密?希格斯玻色子是宇宙摧毀者嗎
    不過很快夸克開始相互凝聚起來，此時產生的就是希格斯玻色子，因為科學家在研究中發現，其實希格斯玻色子是宇宙萬物產生的基礎，所以我們也其為上帝粒子，因為希格斯玻色子產生的凝聚力，逐漸將物質形成。所以希格斯玻色子隱藏著宇宙的形成之謎，甚至一旦我們認識到希格斯玻色子的話，那麼宇宙大爆炸之前的秘密，也許人類也會全部解開，這就是希格斯玻色子隱藏的秘密，現在科學家研究發現了一些希格斯玻色子。
  • 趣說上帝粒子--希格斯玻色子
    史蒂文：哦，那落在吧檯上的幾滴奶昔就是希格斯玻色子咯？戴夫：你的認知越來越接近了，應該說濺起的水花才是希格斯玻色子。史蒂文：不會吧！希格斯玻色子是希格斯場的一種激發態，所以我們通過發現希格斯玻色子就可以證明了希格斯場的存在。史蒂文：你們探測到玻色子證明了希格斯場的存在，現在應該大功告成了吧。粒子物理還有什麼未解之謎？戴夫：其實，我們這才剛剛上路。這就和當初哥倫布以為自己發現了印度新航線差不多，他確實有新發現，但並不是他想要的。
  • ATLAS實驗首次發現希格斯粒子到正反底夸克對衰變道信號
    希格斯玻色子衰變成一對底夸克觀察到這一衰變過程將填補對希格斯粒子認知的一大空白，對於進一步證實解釋夸克質量的希格斯機制、深入理解並測量希格斯粒子到費米子的湯川耦合係數、驗證標準模型湯川耦合係數的預期及探索可能存在的超越標準模型的新物理具有重要的科學意義。中國ATLAS組各單位對此次H→bb衰變道的發現做出了重要貢獻。
  • 我國科學家為發現希格斯粒子衰變到底夸克對的過程做出重要直接貢獻
    近日，歐洲核子研究中心宣布，工作於大型強子對撞機上的ATLAS實驗發現了希格斯粒子衰變到底夸克對的過程，這是國際上首次觀測到希格斯粒子衰變到底夸克對的過程，也是自2012年發現希格斯粒子以來大型強子對撞機實驗取得的又一項重要物理成果。ATLAS實驗中國組在這一重大成果中做出重要直接貢獻。