大型强子对撞机发现了极其罕见的希格斯玻色子衰变过程


大型强子对撞机发现了极其罕见的希格斯玻色子衰变过程

紧凑型介子螺线管(CMS)是大型强子对撞机(LHC)上的一种通用探测器。它有一个广泛的物理项目,从研究标准模型(包括希格斯玻色子)到寻找可能构成暗物质的额外维度和粒子。CMS探测器是建立在一个巨大的螺线管磁铁。这是一个由超导电缆组成的圆柱形线圈,可以产生4特斯拉的磁场,大约是地球磁场的10万倍。磁场被钢“轭”所限制,构成了探测器14000吨的主体重量。来源:欧洲核子研究中心

2012年,希格斯玻色子在瑞士日内瓦的欧洲粒子物理研究所(CERN)的大型强子对撞机(LHC)产生的一堆其他粒子中被发现,一夜成名。这一发现之所以具有里程碑意义,是因为希格斯玻色子具有赋予其他基本粒子质量的特殊特性,而此前人们只在理论上对希格斯玻色子进行了研究。它在碰撞粒子的碎片中也极其罕见和难以识别。

加州理工学院的物理学家在希格斯玻色子的发现中发挥了重要作用,这一结果为理论物理学家彼得·希格斯赢得了2013年诺贝尔物理学奖,现在他们继续在罕见的希格斯玻色子过程中取得重大发现。

今年夏天,粒子物理学家首次利用LHC的紧凑介子螺线管(CMS)实验收集到的数据,发现了希格斯玻色子衰变为一对基本粒子——介子的证据。介子是电子的一个较重的版本,介子和电子都属于一类被称为费米子的粒子,正如在被广泛接受的粒子模型——标准模型中描述的那样。标准模型将所有粒子分类为费米子或玻色子。一般来说,费米子是所有物质的基石,而玻色子是力的载体。

介子也被称为第二代粒子。第一代费米子粒子,如电子,是最轻的粒子;第二代和第三代粒子可以衰变为第一代粒子。这项新发现首次证明希格斯玻色子与第二代费米子相互作用。

此外,这一结果进一步证明希格斯粒子对费米子的衰减率与费米子质量的平方成正比。这是希格斯理论的一个重要预测。有了更多的数据,大型强子对撞机实验有望证实希格斯粒子确实给了基本粒子质量。

大型强子对撞机发现了极其罕见的希格斯玻色子衰变过程

“这种测量的重要性在于,我们正在探测涉及希格斯玻色子的罕见过程,并且我们处于精确的希格斯物理学研究体制中,任何偏离标准模型预测的现象都可以将我们引向新的物理学领域。” -易钦(Citech)物理学教授。

科学家们分析了大型强子对撞机的另一个仪器ATLAS(环形大型强子对撞机仪器)的数据,也发现了希格斯玻色子衰变为介子的确凿证据。两项实验的结果都在2020年8月举行的第40届国际高能物理会议上公布。

“我们需要更多的数据和聪明的分析方法来证实我们的结果,但这是我们第一次看到希格斯玻色子衰变为两个介子的证据,”艾琳·杜塔(20岁)说,她是加州理工CMS团队的成员,也是斯皮罗普鲁实验室的研究生。这个结果在实验上证实了粒子物理学标准模型的预测是正确的。即使我们的模型有一个小的偏差,也会告诉我们还有其他的事情在发生,但是到目前为止标准模型仍然是坚定的,”Dutta说。

这一发现将最终帮助科学家更好地理解希格斯玻色子是如何赋予费米子质量的。希格斯玻色子可以被认为是希格斯场的振动或激发。希格斯场就像一层厚厚的糖浆,当粒子穿过它时,它们获得了质量;粒子在场里运动得越慢,它们的重量就越重。

“我们想要了解宇宙中质量的起源,”加州理工CMS团队成员南路说,他是斯皮罗普鲁实验室的博士后学者。“希格斯玻色子是理解这一机制的实验工具,也可能是发现新物理的把柄。我们不能系统地观察希格斯玻色子或其他基本粒子,除了它们在高能粒子碰撞中的表现,但它们是我们宇宙的基本组成部分,”卢说。

加州理工学院的研究小组通过寻找希格斯玻色子对这一新的发现做出了贡献。希格斯玻色子是由一种特殊的机制产生的,其中两种被称为夸克的粒子同时产生(夸克是费米子的另一种类型)。这一过程特别有趣,因为这两个夸克提供了不同的特征来帮助识别希格斯玻色子。卢开发了探测CMS搜索不同质量希格斯玻色子灵敏度的方法,从而提高了发现的可信度。杜塔致力于展示一种高级人工智能(AI)方法论工具的能力,这种工具被称为深度神经网络,用于分析LHC数据。

Dutta和Lu都帮助得到了最终的灵敏度结果。前加州理工学院博士后学者Joosep Pata目前在爱沙尼亚的国家化学物理和生物物理研究所工作,他开发了一种新的方法来加速项目中使用的复杂计算分析。

“探索希格斯玻色子的性质,就相当于寻找我们知道必须存在的新物理。”Spiropulu说。“我特别为Nan, Irene, Joosep和整个加州理工CMS团队的工作感到骄傲,他们的才华,多样性和成果在一个巨大的国际合作的景观中熠熠生光。”

加州理工学院CMS团队还包括哈维·纽曼(Harvey Newman),马文·l·戈德伯格(Marvin L. Goldberger)物理学教授;物理学研究助理教授谢思;研究科学家Adi Bornheim和Cristian Pena (MS ' 15, PhD ' 17);以及加州理工学院CMS电磁量热计团队经理朱仁元。

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投稿时间:2020-11-17  最后更新:2020-11-17

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