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粒子研究十年路 桃李春風看未來——《自然》發表希格斯玻色子屬性最新結果

由 人民日報數字傳播 發表于 舞蹈2023-01-19
簡介但在十年前的7月,CERN的ATLAS和CMS實驗組宣佈發現了一個具有希格斯玻色子預期屬性的粒子,被稱為“過去30年甚至40年間物理學最大的新發現之一”

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粒子研究十年路 桃李春風看未來——《自然》發表希格斯玻色子屬性最新結果

CMS探測器於2012年記錄的一次事件。圖片來源:歐洲核子研究中心

在歐洲核子研究中心(CERN)大型強子對撞機(LHC)首次宣佈發現希格斯玻色子十週年之際,英國《自然》雜誌發表了ATLAS(超導環場探測器)和CMS(緊湊繆子線圈)實驗組對這一基本粒子屬性的最新研究結果。

在2012年以前,希格斯玻色子是整個亞原子界最聞名遐邇、卻又最令人迷惑的粒子,長期以來其蹤跡佔據著整個粒子物理學界的研究中心。因為若該粒子出現,物質質量起源之謎將會揭開;若該粒子不存在,理論上只能要求所有粒子無一例外地必須完全沒有質量——這無疑與現行的實驗觀察相矛盾,物理學家們若要重新評估該論述,其意義可能不只是一條理論的修改,而是一場顛覆。

但在十年前的7月,CERN的ATLAS和CMS實驗組宣佈發現了一個具有希格斯玻色子預期屬性的粒子,被稱為“過去30年甚至40年間物理學最大的新發現之一”。此後,希格斯玻色子被探測到不下30次,讓研究人員有機會驗證其行為是否符合基本粒子物理學標準模型的描述。

現在,兩個實驗組報告了大型強子對撞機第二輪執行期(2015年—2018年)獲得的涉及希格斯玻色子產生或衰變資料的分析結果。他們研究的主要問題是,希格斯玻色子如何與其他基本粒子相互作用。根據粒子物理學標準模型的理論,任何粒子與希格斯玻色子的相互作用強度都與粒子質量成比例。

十年的資料,讓兩個實驗組能以合理誤差估算希格斯玻色子與已知最重粒子的相互作用,這些粒子包括頂夸克和底夸克、Z玻色子和W玻色子、τ輕子。對於所有這些粒子來說,資料與基本粒子物理學標準模型預測的行為相符,且結果在實驗誤差範圍內。

德國馬克斯·普朗克物理學研究所科學家茱莉亞·贊德里基及其同事在一篇隨附的觀點文章中,的唯一方法,是稍微擾動它。就像把石頭扔進水裡,人們終於看到了漣漪——希格斯玻色子正是這種擾動的表現。

過去十年取得的進展預計將延續到下一個十年。希格斯玻色子的一些關鍵屬性——如自耦合或與更輕粒子的耦合——仍需要測量並有望揭示實際與理論的偏差。不過,當前的資料集或將在下一個十年裡至少翻一番,推進我們對希格斯玻色子物理屬性的理解。這些希格斯玻色子相關的待確定的內容,也代表了未來物理學的研究潛力。