欧洲大型强子对撞机(LHC)以兆分之一的概率观测到高能物理学领域中的罕见现象,希格斯玻色子与最重粒子顶夸克同时在极大能量的碰撞下生成。过去,科学家只能间接证明顶夸克与希格斯玻色子如何相互作用,现在终于有了直接证据。
2012 年,欧洲大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)宣布终于找到粒子物理标准模型中最后一个缺失粒子──于 1964 年首次提出的希格斯玻色子(Higgs boson)。媒体高调封它为“上帝粒子”,标准模型因它而完整,每个粒子如何衰变、作用及各自内在属性无一违反基本原则,从标准模型可以描述强力、弱力、电磁力这 3 种作用力(让粒子采取行动的“力量”),以及组成所有物质的基本粒子,除了重力外,标准模型可以合理解释这世界大多数物理现象。
已知基本粒子可以分为费米子(包含夸克与轻子)及玻色子(包含规范玻色子与希格斯粒子)两种类型,费米子负责组成物质,比如电子、质子、中子,而玻色子带有能量,负责传递作用力使费米子黏结在一起,比如光子。2012 年时我们知道了希格斯玻色子与带有作用力的基本粒子相互作用,比如 W 玻色子,科学家接着想理解希格斯玻色子与费米子的关系。
2014 年,大型强子对撞机的两大粒子侦测器中之一紧凑缈子线圈(Compact Muon Solenoid,CMS),透过测量希格斯玻色子衰变成 τ 轻子(tau leptons)发现其与费米子具有相当程度的关联;之后,紧凑缈子线圈和超环面仪器(ATLAS)都找到了希格斯玻色子衰变成底夸克(bottom quark)的证据。
▲ 紧凑缈子线圈。(Source:By Julian Williams [Copyrighted free use], via Wikimedia Commons)
但解决了一个物理疑问,下一个问题就会冒出来,科学家现在又想了解希格斯玻色子与顶夸克(top quark)的关联。由于顶夸克是目前发现最重的夸克,质量为173.1±1.3GeV/c2 (做为比较,质子的质量也才 938MeV),做为“质量馈赠者”,照理说希格斯玻色子应该非常喜欢顶夸克。
幸运地,欧洲核子研究组织(CERN)在 6 月宣布大型强子对撞机发现极罕见物理现象,首次透过实验证实了希格斯玻色子与顶夸克同时生成,提供有关顶夸克如何获得如此巨大质量的线索。
粒子加速器每次实验都碰撞超过 1015 个质子对,其中只有几百次碰撞会同时生成希格斯玻色子与顶夸克,研究团队需透过极复杂算法识别子粒子来源于哪些母粒子,并剔除混淆结果的数据,其所需精力令人叹为观止。实验最后,顶夸克衰变为 W 玻色子和底夸克,希格斯玻色子则衰变成底夸克、W 玻色子、τ 轻子、光子等。
顶夸克和希格斯玻色子之间的密切关系,可能为我们提供一条发现新粒子的途径,对粒子物理学家来说这更是激动人心的时刻,有机会超越标准模型,奠定全新物理学。
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(首图来源:欧洲核子研究组织)