重磅發現：上帝粒子衰變成兩個µ子，並能與第二代粒子相互作用
2020-08-05 博科園在第40屆國際高能物理會議上（ICHEP），ATLAS和CMS實驗公布最新的結果表明：上帝粒子（希格斯玻色子）衰變成兩個µ子。µ子是電子的較重版本，具有相同的電荷，只是質量不同，電子也是構成宇宙物質的基本粒子之一。電子被歸類為第一代粒子，而µ子則屬於第二代粒子。希格斯玻色子衰變為µ子的物理過程是一種罕見現象，因為5000個希格斯玻色子中只有一個衰減成µ子。
這些新結果對基礎物理學具有至關重要的意義，因為它們首次表明：希格斯玻色子與第二代基本粒子相互作用。歐洲核子研究中心(CERN)的物理學家自2012年發現希格斯玻色子以來，一直在研究它，以探索這種非常特殊的粒子的性質。由大型強子對撞機上的質子碰撞產生希格斯玻色子，幾乎瞬間瓦解（也就是所謂的衰變）變成其他粒子。研究希格斯玻色子性質的主要方法之一是：分析它如何衰變成各種基本粒子和解體速率。
CMS以 3 sigma獲得了這種衰變證據，這意味著從統計漲落中看到希格斯玻色子（上帝粒子）衰變成µ子對的可能性不到700。阿特拉斯（ATLAS）的2 sigma結果意味著機率是40分之一。這兩個結果的結合，將大大增加3 sigma以上的意義，並為希格斯玻色子衰變成兩個µ子提供強有力的證據。CMS實驗發言人羅伯託·卡林(Roberto Carlin)表示：CMS很自豪能夠實現對希格斯玻色子向µ子衰變的這種敏感性。
能與第二代粒子相互作用
CMS並展示了這一過程的第一個實驗證據，希格斯玻色子（上帝粒子）似乎也與第二代粒子相互作用，這與標準模型的預測一致，這一結果將隨著下一次運行中收集的數據而進一步完善。希格斯玻色子是希格斯場的量子表現，希格斯場通過布勞特-恩格勒-希格斯機制賦予與其相互作用的基本粒子質量。通過測量希格斯玻色子衰變成不同粒子的速率，物理學家可以推斷它們與希格斯場相互作用的強度：
衰變成給定粒子的速率越高，它與場的相互作用就越強。到目前為止，ATLAS和CMS實驗已經觀察到希格斯玻色子衰變成不同類型的玻色子，如W和Z，以及更重的費米子，如τ輕子。2018年測量了與最重夸克（頂夸克和底夸克）的相互作用。相比之下，µ子要輕得多，µ子與希格斯場的相互作用也較弱。因此，以前在大型強子對撞機（LHC）上沒有看到過希格斯玻色子和µ子之間的相互作用。
ATLAS發言人卡爾·雅各布斯(Karl Jakobs)表示：希格斯玻色子衰變為第二代物質粒子的證據，補充了一個非常成功的Run 2 Higgs物理計劃。對希格斯玻色子性質的測量，在精度和稀有衰變模式方面達到了一個新階段。這些成就依賴於大型大型強子對撞機數據集、ATLAS探測器的出色效率和性能，以及對新分析技術的使用。使這些研究更具挑戰性的是，在大型強子對撞機上，每預測一個希格斯玻色子衰減到兩個µ子，就會有數千個µ子對通過其他過程產生，模仿預期的實驗特徵。
與標準模型預測是一致
希格斯玻色子衰變成µ子對特徵是聚集在125GeV的µ子對質量附近的少量過剩事件，這是希格斯玻色子的質量。分離希格斯玻色子與µ子對的相互作用並非易事。為了做到這一點，兩個實驗都從希格斯玻色子的衰變中測量µ子候選者的能量、動量和角度。此外，通過複雜的背景建模策略和其他先進技術(如機器學習算法)等方法提高了分析的靈敏度。CMS結合了四個獨立的分析，每個分析都經過優化，以將物理事件與特定希格斯玻色子產生模式的可能信號進行分類。
阿特拉斯將其分為20類，目標是特定的希格斯玻色子產生模式。到目前為止，這些結果與標準模型的預測是一致，使用了從大型強子對撞機（LHC）第二次運行中收集的全部數據集。隨著粒子加速器下一次運行將記錄更多的數據，以及利用更高能量的大型強子對撞機(LHC)，ATLAS和CMS的合作，有望達到建立發現希格斯玻色子衰變到兩個µ子所需的靈敏度（5sigma），並約束可能超出標準模型影響希格斯玻色子衰變模式的物理理論。
博科園｜研究/來自：第40屆國際高能物理會議/歐洲核子研究中心（CERN）
參考期刊《arXiv》
Cite: arXiv:2007.07830
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