探索夸克和輕子的質(zhì)量起源

希格斯粒子

我們所生活的這個宇宙，是由基本粒子構成的。這些粒子包括了我們熟悉的電子、中微子、夸克等等。令人驚奇的是，在宇宙誕生之初，所有的這些粒子都是沒有質(zhì)量的。而它們之所以獲得質(zhì)量，是因為粒子會與希格斯場相互作用。粒子與希格斯場的相互作用越強，獲得的質(zhì)量就越大。

根據(jù)量子物理學，所有的場都有其對應的粒子。這些場彌漫在整個空間中，激發(fā)不同的場就會產(chǎn)生相應的粒子。而與希格斯場相關的粒子是希格斯玻色子。

盡管早在上個世紀六十年代物理學家就已經(jīng)預言了希格斯玻色子的存在，但直到2012年，才終于在隱藏于歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）的數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子的確鑿證據(jù)。這是標準模型中最后一個被發(fā)現(xiàn)的粒子。

粒子物理學的標準模型描述了已知的所有粒子，以及這些粒子如何與除引力的其他三種基本力（即電磁力、強力和弱力）相互作用。

發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子并不意味著結(jié)束，相反，物理學家仍在不斷地探索其性質(zhì)。

在一項新發(fā)表于《物理評論快報》的研究中，CERN的ATLAS合作組通過對希格斯玻色子衰變?yōu)橐粚Ζ套雍头处套?/strong>的測量，進一步探索了夸克和輕子的質(zhì)量起源。

第二代費米子的質(zhì)量也源于希格斯場？

夸克和輕子都屬于費米子，它們是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最基本物質(zhì)組成單元。夸克有六種“味”，分別為上、下、頂、底、粲、奇，受到強、弱以及電磁相互作用的影響。而輕子則分為帶電輕子和中性輕子——前者包含電子、μ子、τ子，受到弱相互作用和電磁相互作用的影響；后者為三種中微子，只受到弱相互作用的影響。

夸克和帶電輕子的質(zhì)量范圍跨越了5個數(shù)量級以上，頂夸克的質(zhì)量幾乎是電子的34萬倍。如此巨大的質(zhì)量等級是如何產(chǎn)生的呢？

在此前的LHC實驗中，ATLAS合作組和CERN的CMS合作組已經(jīng)在第三代費米子——頂夸克（173 GeV）、底夸克（4.2 GeV）以及τ輕子（1.8 GeV）這幾個最重的費米子上證實了它們與希格斯場之間的相互作用。

那么，同樣的機制是否也適用于更輕的第二代費米子（比如μ子和粲夸克）呢？物理學家把目光投向了質(zhì)量為0.106 GeV的μ子。然而，這在實驗上面臨的挑戰(zhàn)卻極其嚴峻。

大海撈針

希格斯玻色子會衰變成一個μ子和反μ子對（H→μμ），但發(fā)生概率極低——約每5000次希格斯衰變中，只有一次會出現(xiàn)這一衰變過程。要識別這一罕見的衰變過程，難度堪比大海撈針。因為物理學家需要尋找質(zhì)量約125 GeV的（對應希格斯質(zhì)量）處的雙μ子衰變的微量過剩事件。然而，有成千上萬對來自其他過程產(chǎn)生的μ子（“背景”）會嚴重淹沒目標信號。

在2021年，CMS合作組首次給出了有統(tǒng)計意義的跡象，表明希格斯場以預期的強度與μ子發(fā)生了相互作用。他們在背景之上觀測到約3個標準差的過剩信號，得到的衰變率約為理論預期的1.2倍。

為了提升探測靈敏度，ATLAS合作組的物理學家將LHC第三輪運行的前三年數(shù)據(jù)（2022–2024，共165fb?1）與完整的第二輪運行數(shù)據(jù)集（2015–2018，共140fb?1）合并分析。他們開發(fā)了更先進的方法來更好地模擬背景過程，并根據(jù)希格斯玻色子的不同產(chǎn)生方式對事件進行分類，進一步優(yōu)化事件篩選技術，以提高真實信號的識別概率。

ATLAS合作組在13 TeV和13.6 TeV的質(zhì)子和質(zhì)子碰撞中搜索125 GeV希格斯玻色子的雙μ子衰變時，觀測到相對于背景的3.4個標準差的過剩信號。由此推斷出的希格斯玻色子衰變?yōu)棣套雍头处套訉Φ乃プ兟适抢碚擃A期的1.4倍。

還有許多謎題

新的結(jié)果表明，希格斯場像賦予最重的費米子質(zhì)量那樣，也賦予了μ子

質(zhì)量。

不過，對于粒子物理學家而言，這樣的證據(jù)還不夠有說服力，因為只有結(jié)果達到5個標準差，才能說是發(fā)現(xiàn)。一旦達到這個水平，研究人員就能盡可能精確地比較理論與實驗觀測，從而追問：希格斯相互作用是否是費米子質(zhì)量的唯一來源。

接下來，還有許多工作有待完成。粒子物理學家還希望能測量希格斯場與奇夸克、下夸克以及上夸克之間的相互作用率，而那將會是極具挑戰(zhàn)性的任務。在更遙遠的未來，物理學家的目標是直接觀測到希格斯玻色子衰變?yōu)橐粋€電子和一個正電子——這一事件大約在2億次衰變中才會發(fā)生一次。實現(xiàn)這一目標，等同于揭示電子的起源，這將是非凡的成就。

即便最終確認費米子的質(zhì)量是由其與希格斯場的相互作用所決定，那么又是什么決定了每一種費米子的具體質(zhì)量數(shù)值呢？為什么頂夸克那么重？為什么中微子那么輕？關于物質(zhì)粒子的質(zhì)量起源，還有許多謎題等待被揭開。

#參考來源：

https://atlas.cern/Updates/Briefing/Rare-Higgs-Run3

https://physics.aps.org/articles/v18/190

#圖片來源：

封面圖&首圖：ATLAS Collaboration