探索夸克和輕子的質量起源

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量的。而它們之所以獲得質量，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，獲得的質量就越大。

根據量子物理學，所有的場都有其對應的粒子。這些場彌漫在整個空間中，激發不同的場就會產生相應的粒子。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）的數據中，發現了希格斯玻色子的確鑿證據。這是標準模型中最后一個被發現的粒子。

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。

發現希格斯玻色子并不意味著結束，相反，物理學家仍在不斷地探索其性質。

在一項新發表于《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為一對μ子和反μ子的測量，進一步探索了夸克和輕子的質量起源。

第二代費米子的質量也源于希格斯場？

夸克和輕子都屬于費米子，它們是迄今為止發現的最基本物質組成單元。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量范圍跨越了5個數量級以上，頂夸克的質量幾乎是電子的34萬倍。如此巨大的質量等級是如何產生的呢？

在此前的LHC實驗中，ATLAS合作組和CERN的CMS合作組已經在第三代費米子——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量為0.106 GeV的μ子。然而，這在實驗上面臨的挑戰卻極其嚴峻。

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），但發生概率極低——約每5000次希格斯衰變中，只有一次會出現這一衰變過程。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量約125 GeV的（對應希格斯質量）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計意義的跡象，表明希格斯場以預期的強度與μ子發生了相互作用。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據（2022–2024，共165fb?1）與完整的第二輪運行數據集（2015–2018，共140fb?1）合并分析。他們開發了更先進的方法來更好地模擬背景過程，并根據希格斯玻色子的不同產生方式對事件進行分類，進一步優化事件篩選技術，以提高真實信號的識別概率。

ATLAS合作組在13 TeV和13.6 TeV的質子和質子碰撞中搜索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為μ子和反μ子對的衰變率是理論預期的1.4倍。

還有許多謎題

新的結果表明，希格斯場像賦予最重的費米子質量那樣，也賦予了μ子

質量。

不過，對于粒子物理學家而言，這樣的證據還不夠有說服力，因為只有結果達到5個標準差，才能說是發現。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為一個電子和一個正電子——這一事件大約在2億次衰變中才會發生一次。實現這一目標，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量數值呢？為什么頂夸克那么重？為什么中微子那么輕？關于物質粒子的質量起源，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