新希格斯玻色子可能是探測宇宙最深層基礎的工具

新希格斯玻色子可能是探測宇宙最深層基礎的工具

科學家無法拍攝希格斯玻色子的照片。但是他們可以通過觀看“E=mc^2”每秒數億次的粒子碰撞,並檢測它如何衰變成他們知道能夠定位的其他粒子來證明它的存在。現在,在正式發現希格斯玻色子六年後,粒子物理學家宣佈他們以另一種方式發現了希格斯粒子。

這一宣佈並不令人驚訝。它與粒子物理標準模型的預測相吻合,但很可能是在最小尺度上不完整的宇宙藍圖。但是這個消息確實很重要,你可以說它結束了希格斯玻色子故事的第一章,並且為探索宇宙中一些最令人困惑的問題提供了一個潛在的窗口。

哈佛大學粒子物理學家約翰·胡斯(John Huth):“這是我們第一次看到希格斯耦合底夸克,這已經被預測。我們以為這是會發生,但直到我們真正看到它,我們才能肯定它是以這種方式耦合底夸克的。”

五十年前,包括彼得·希格斯(Peter Higgs)在內的一組科學家首次提出希格斯玻色子存在的理論。理論粒子可以解釋為什麼某些應該是無質量的粒子實際上有質量,以及為什麼所有基本粒子都有質量。2012年7月4日,大型強子對撞機(Large Hadron Collider)的超環面儀器 (ATLAS)與緊湊渺子線圈(CMS)實驗的科學家們宣佈,它們發現了一個長得很像希格斯玻色子的粒子。

新希格斯玻色子可能是探測宇宙最深層基礎的工具

那些最初的實驗通過將質子碰撞在一起並觀察出現結果時發現了希格斯粒子。他們將這些結果與如果新粒子不存在時所產生的碰撞的模擬結果進行了比較。在這些碰撞中產生的希格斯玻色子大約有30%應該產生一組光子或一組W和Z玻色子,即攜帶弱核力(四種基本力之一)的粒子。但是幾乎60%的希格斯玻色子應該衰變成一對底夸克,這是六種夸克中第二重的夸克。

所有現有的證據都清楚地表明,新粒子實際上是希格斯玻色子,但通過底夸克發現希格斯要比通過光子或W和Z玻色子找到它更困難。光子在探測器中是顯而易見的,而W和Z本身也會衰變成一對μ子或電子,也很容易理解和探測粒子。但是底夸克在探測器中看起來更雜亂無章,而且很容易混淆來自希格斯玻色子的底夸克對和其他方式產生的底夸克對。

目前,已經看到了足夠多的質子碰撞和由此產生的底夸克,足以在2018年韓國首爾國際高能物理會議(ICHEP)上宣佈這一發現。你可能還記得“標準偏差”或“σ(西格瑪)”,物理學家用它來確定如果他們的假設是錯誤的情況下,他們的測量不可能發生的可能性的閾值。5σ是粒子物理學家的基準,他們經常說,在取得大量數據之後,事情發生的可能性很小,所以他們做出了一個發現。這裡的物理學家們得到了他們的5σ觀測結果,這一發現與標準模型的預測是一致的。

物理學家對其他搜尋希格斯的大型強子對撞實驗CMS進行了實驗,注意到這一發現的困難。布魯塞爾Vrije大學的物理學家弗里亞·布萊克曼(Freya Blekman)說:“ATLAS必須結合LHC自2011年以來收集的所有數據。而且,即使如此,像深層人工神經網絡和其他機器學習之類的技巧也是必要的。”CMS不久將發佈類似的發現結果。

新希格斯玻色子可能是探測宇宙最深層基礎的工具

胡斯對這個結果感到興奮,一方面,希格斯玻色子為粒子通過貫穿宇宙的物理場提供了一種獲得質量的方法。另一方面,作用在質量、引力之間的力似乎不符合描述希格斯玻色子的量子理論和宇宙大爆炸後的範例,在宇宙大爆炸後,弱核力和電磁力是是統一的。更好地解決這個問題的一個方法是理解希格斯粒子所伴隨的陌生的領域。這需要了解希格斯粒子如何與自身相互作用,這種行為可以通過觀察由這種相互作用產生的四個底夸克來探測。

胡斯說:“我們正處在一個有趣的時刻,我們需要更多的信息來幫助解決這個難題。”

這一發現是探索宇宙最深層基礎的又一工具。但是還有很多東西需要學習,因此,還有更多的觀察工作要做。


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