在所有被發現的基本粒子中，頂夸克和
希格斯玻色子可能是我們更深刻的理解自然定律的最佳賭注。這是因為在粒子動物園中，這兩種粒子都非常地獨特。
頂夸克是六種夸克中的一種，它和構成普通物質的上夸克類似，但質量卻高出了約7.5萬倍——質量接近鎢核，是已知最重的基本粒子。1995年，科學家在美國芝加哥西部的費米實驗室中，發現了頂夸克的蹤跡。
另一方面，希格斯玻色子是迄今為止觀測到的唯一沒有自旋固有性質的基本粒子。這個屬性對於希格斯玻色子在標準模型中的作用至關重要，它與賦予基本粒子質量的機制相聯繫。雖然早在1964年物理學家就在理論上預言了它的存在，但直到2012才被發現。
兩天前（6月4日），在歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC）進行的兩項實驗（CMS 和 ATLAS）宣佈了他們的最新發現，在篩選了大約10^15次的質子-質子對撞後，科學家確認了一些希格斯玻色子與頂夸克/反頂夸克對同時產生的事件。這是科學家首次測量到希格斯玻色子和頂夸克之間的直接相互作用。（對頂夸克和希格斯玻色子間的耦合的直接測量是對粒子物理學的標準模型的基本檢驗。）
在首次發現希格斯玻色子的六年後，物理學家仍不斷地在實驗中對它的性質進行研究。希格斯玻色子是由希格斯場所激發出來的。希格斯場瀰漫在時空之中，並與像電子和夸克這樣的基本粒子相互作用，從而賦予它們以質量。但是導致時空之中充滿了希格斯場的微觀機制依然是一個謎題。一種觀點認為，希格斯場是由某種基本粒子的相互作用引起的，類似於金屬中電子間的配對相互作用導致出現的超導性。與這一觀點相關的一些理論依賴於希格斯玻色子和頂夸克之間的相互作用，因此測量它們之間相互作用的強度能讓我們得以驗證這些模型。
頂夸克和希格斯玻色子相互作用的強度（後面簡稱“頂-希格斯作用強度”）也是弱相互作用理論中所謂的精細調節難題的基礎。如果考慮到量子修正的話，這個謎題與希格斯玻色子的實際質量和它的預期值之間的差異有關。找到與期望值不同的頂-希格斯作用強度，或許可以為解決這種差異提供線索。
由於頂夸克的質量非常巨大，因此物理學家預期它與希格斯玻色子間的相互作用要比其它夸克更加強烈。測量相互作用強度的方法有許多種，但這次實驗採取的途徑被認為是“最乾淨的”，他們尋找的是在質子-質子對撞中產生希格斯玻色子(H)、及頂夸克(t)和反頂夸克(t̄)的過程，即所謂的 tt̄H 過程。通過測量這個過程的產生率，就能直接得出頂-希格斯作用的強度。長久以來，理論家一直希望通過研究這一過程來深入理解與希格斯相關的物理。○ 希格斯場無處不在，基本粒子通過與它作用獲得質量。但事實上，故事要遠比這個複雜，仍有一些謎題還未得到解答，比如為什麼希格斯玻色子的質量是現在這個值？又是為什麼有希格斯場呢？
此次的測量是非常困難的。首先，tt̄H過程相對罕見：只有不到千分之一的頂夸克對會伴隨著希格斯玻色子。其次，頂夸克和希格斯玻色子從來沒有被直接探測過，因為他們的“壽命”非常短，會迅速的衰變。因此，實驗人員把目標放在了尋找粒子的衰變產物——夸克、輕子和光子的組合，這些粒子必須被識別出來，並與以其他方式產生的相同粒子的“背景”區分開來。為了確信這些信號是對應於tt̄H過程的，研究人員分析了兩個頂夸克和希格斯玻色子可以衰變的多種方式。例如，其中一個分析尋找的是當希格斯玻色子衰變為一對底夸克，以及頂夸克對衰變產生至少一個電子或μ子的過程。研究人員依靠現代機器學習工具和更傳統的方法將信號與背景區分。
此次的測量雖然證實了頂-希格斯作用強度與標準模型預測的近似，但另一個關鍵部分依舊沒有被完全約束：希格斯玻色子與自身的相互作用。這種相互作用的強度可以為研究電弱相變的性質提供重要線索。電弱相變是指在非常早期宇宙中，希格斯場獲得非零值以及W和Z玻色子的質量變得巨大的時候。但目前LHC所能達到的能量還無法確定這種相互作用，因為這要求在對撞中以更高的速率產生多個希格斯玻色子。只有1TeV的輕子對撞機或者100-TeV的質子-質子對撞機中才允許研究人員產生誤差小於10% 的希格斯玻色子的自我相互作用，只有在這個精確度上才足以區分不同的電弱相變模型。有了這種能量等級的對撞機，測量tt̄H過程的不確定性也能減被少到約1%。
現在，我們已經知道希格斯玻色子的存在，並且知道它大致地符合標準模型的描述，物理學家已經迫不及待的想要探索更多與它相關的信息。或許，未來對希格斯玻色子如何與已知粒子的相互作用的更深入理解，也將打開一扇通往超越標準模型的新物理的大門。
編譯：Zwicky
[1] https://physics.aps.org/articles/v11/56
[2] https://arxiv.org/pdf/1806.00425.pdf
[3] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.231801
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