欧洲核子研究组织(CERN)再度宣布希格斯波色子的一大研究里程碑,在大型强子对撞机中第一次观察到希格斯玻色子衰变为底夸克。搞懂希格斯玻色子衰变,可以帮助物理学家们理解为什么宇宙具有质量。
科学家寻觅上帝粒子“希格斯玻色子(Higgs Boson)”逾 40 年,终于在 2012 年透过大型强子对撞机(LHC)发现,在粒子每 10 亿次碰撞中只会产生那么一次,是极罕见的高能物理现象。
根据希格斯机制,希格斯玻色子负责给予其他基本粒子质量,即基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量;在粒子物理学标准模型中,预测希格斯玻色子应该最常衰变为基本粒子底夸克-反底夸克对,概率占 56.1%,底夸克质量约质子 4 倍。
希格斯玻色子质量为 126 GeV(或者说是质子质量 133 倍),在粒子对的高能碰撞中产生,此时他们被加速到接近光速,寿命(mean lifetime)极短,平均只有 1.6×10 -22 秒,所以说,科学家不可能直接观测到希格斯玻色子,只能从它衰变的产物去回推性质。
而 2012 年宣布发现希格斯玻色子时,物理学家就是依赖于衰变后的产物 Z 玻色子、W 玻色子和光子,但不是底夸克,原因非常简单:这些特定的衰变物更容易被识别出来。
大型强子对撞机内粒子对每次碰撞都会喷溅次原子副产物,最常见的即底夸克,但它们会再迅速衰变成其他类型的粒子,也就是说,想从这“粒子雨”找回最初来自希格斯玻色子的 2 个底夸克有如大海捞针。
直到今年 8 月 28 日,参与大型强子对撞器配备七大实验探测器之二:超环面仪器(ATLAS)与紧凑缈子线圈(CMS)的团队才再一次兴奋宣布,理论终于证实,我们明确观察到希格斯玻色子衰变成底夸克-反底夸克对!这也表明理论预测与实验数据存在强烈一致性,反过来又会对基本物理学思想产生严格限制条件。
理论计算,希格斯玻色子衰变产物的百分比为:底夸克(58%)、W 玻色子(21%),Z 玻色子(6%),τ 轻子(2.6%)和光子( 0.2%),而这次关键结果是验证底夸克预测正确无误。
借由发现希格斯玻色子与已知粒子的相互作用,科学家们也许能探测到新物理现象,比如一小部分希格斯玻色子可能在衰变过程中产生暗物质粒子。
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(首图来源:欧洲核子研究组织)
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