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粒子研究十年路,桃李春风看未来——《自然》发表希格斯玻色子属性最新结果
发布时间:2022-07-05 来源:科技日报 作者:admin 点击:

科技日报记者 张梦然

在欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)首次宣布发现希格斯玻色子十周年之际,英国《自然》杂志发表了ATLAS(超导环场探测器)和CMS(紧凑缪子线圈)实验组对这一基本粒子属性的最新研究结果。

在2012年以前,希格斯玻色子是整个亚原子界最闻名遐迩、却又最令人迷惑的粒子,长期以来其踪迹占据着整个粒子物理学界的研究中心。因为若该粒子出现,物质质量起源之谜将会揭开;若该粒子不存在,理论上只能要求所有粒子无一例外地必须完全没有质量——这无疑与现行的实验观察相矛盾,物理学家们若要重新评估该论述,其意义可能不只是一条理论的修改,而是一场颠覆。


CMS探测器于2012年记录的一次事件。图片来源:欧洲核子研究中心

但在十年前的7月,CERN的ATLAS和CMS实验组宣布发现了一个具有希格斯玻色子预期属性的粒子,被称为“过去30年甚至40年间物理学最大的新发现之一”。此后,希格斯玻色子被探测到不下30次,让研究人员有机会验证其行为是否符合基本粒子物理学标准模型的描述。

现在,两个实验组报告了大型强子对撞机第二轮运行期(2015年—2018年)获得的涉及希格斯玻色子产生或衰变数据的分析结果。他们研究的主要问题是,希格斯玻色子如何与其他基本粒子相互作用。根据粒子物理学标准模型的理论,任何粒子与希格斯玻色子的相互作用强度都与粒子质量成比例。

十年的数据,让两个实验组能以合理误差估算希格斯玻色子与已知最重粒子的相互作用,这些粒子包括顶夸克和底夸克、Z玻色子和W玻色子、τ轻子。对于所有这些粒子来说,数据与基本粒子物理学标准模型预测的行为相符,且结果在实验误差范围内。


人们对希格斯粒子与已知粒子相互作用的了解情况。

图片来源:《自然》在线版

德国马克斯·普朗克物理学研究所科学家茱莉亚·赞德里基及其同事在一篇随附的观点文章中,详细探讨了过去十年取得的研究进展(仍有待证实)以及未来可能的探索方向。

科学家们写道:十年前发现希格斯玻色子是研究基本物理相互作用这一领域的里程碑,在理论家提出假设后半个世纪,人们才真正确认这种粒子的存在。而这一发现的意义,不仅在于发现了一种期待已久的新粒子,还提供了第一个直接证据,可以证明人们周围存在一种新的基本“场”——希格斯场。

世人对希格斯场慕名已久,一直无缘识荆。观点文章解释说,希格斯场和磁场之间最重要的区别是,如果移开磁源,磁场即消失;相比之下,希格斯场在任何地方都是非零的。但此前在日常生活中,人们根本没有办法感知到希格斯场就在我们周围。科学家揭示希格斯场的唯一方法,是稍微扰动它。就像把石头扔进水里,人们终于看到了涟漪——希格斯玻色子正是这种扰动的表现。

过去十年取得的进展预计将延续到下一个十年。希格斯玻色子的一些关键属性——如自耦合或与更轻粒子的耦合——仍需要测量并有望揭示实际与理论的偏差。不过,当前的数据集或将在下一个十年里至少翻一番,推进我们对希格斯玻色子物理属性的理解。这些希格斯玻色子相关的待确定的内容,也代表了未来物理学的研究潜力。


责任编辑:满苍
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