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捕捉「上帝」的秘密,科學家成功觀測到希格斯玻色子的最常見衰變

歐洲核子研究中心(CERN)28日宣布,在發現「上帝粒子」——希格斯玻色子6年後,研究人員終於觀測到它衰變為一對底夸克。這一「常見衰變」的捕獲被研究人員看作是探索希格斯玻色子的里程碑。

希格斯玻色子的產生的條件非常苛刻,需要在大型強子對撞機進行約10億次碰撞,才能觀測,而且它的壽命極為短暫,假設希子質量為126 GeV,則標準模型預測平均壽命大約為1.6×10?22 秒。由於不可能直接看到希格斯玻色子,科學家們使用這些次級粒子衰變產物來研究它的特性。自從2012年發現希格斯玻色子以來,在其衰變物中,科學家們按照現有理論只能識別出約30%。美國能源部布魯克海文國家實驗室ATLAS物理學家卡瓦莉爾(Viviana Cavaliere)表示,過去幾年,由於希格斯玻色子的衰變速度非常快,抓住它一直是人們的首要任務。

根據粒子物理學標準模型預測,約60%的希格斯玻色子都會衰變成一對底夸克,也就是6種夸克中第二重的夸克(第一為頂夸克)。新的觀測結果支持了標準模型對這一「常見衰變」的預測。研究人員說,如果觀測結果與標準模型的預測不符,則會動搖標準模型的基礎並指出新的物理學方向(還有其他粒子有待發現?)。

圖1 希格斯玻色子衰變為兩個底夸克(藍圈),伴有一個W玻色子衰變為一個μ子(紅線)和一個中微子(白線)的ATLAS候選事件

來源:ATLAS/CERN

40多年前,科學家們建立起一套名叫「標準模型」的粒子物理學理論,但這一理論一直缺少最後一塊拼圖,即希格斯玻色子。這一難以尋覓又極為重要的「上帝粒子」被認為是解釋其他粒子如何獲取質量的關鍵。2012年7月,歐洲核子研究中心大型強子對撞機(LHC)研究人員宣布發現希格斯玻色子,這是LHC最為顯赫的成績。

圖2 希格斯玻色子衰變為兩個底夸克(藍),伴有一個Z玻色子衰變為一對正負電子(紅)的CMS候選事件。

來源:CMS/CERN

研究人員介紹,希格斯玻色子有多個衰變道,此次觀測到其常見的衰變道(衰變為底夸克)絕非易事,主要困難在於質子和質子的碰撞中存在許多產生底夸克的途徑,因此很難將希格斯玻色子衰變信號與雜訊干擾隔離開。相比而言,當年發現希格斯玻色子時觀察到它不太常見的衰變道(衰變為一對光子)則更容易從背景中提取。

為提取信號,大型強子對撞機兩個實驗項目組ATLAS(超環面儀器)和CMS(緊湊μ子線圈)各自組合了大型強子對撞機的兩次運行數據進行分析。結果檢測到希格斯玻色子衰變為一對底夸克。此外,兩個項目組還在當前的測量精度範圍內測量到與標準模型預測相一致的衰減速率。

標準模型中的基本粒子

到目前為止,標準模型是物理學對於物質世界最深刻和最客觀的認識,是描述物質基本組成和運行最成功的理論。標準模型認為,物理真空並不是一無所有,真空中充滿場,場的激發態是粒子。粒子分為組成子和媒介子,組成子即構成現有物質世界的「基本」粒子,媒介子是傳遞相互作用的粒子。

組成子(物質子)的自旋為半奇數,是費米子,分為夸克和輕子。夸克有三代,分別為:(u,d),(c,s),(t,b)[英文名稱為:(up quark, down quark),(charm quark, strange quark),(top quark or truth quark,bottom quark or beauty quark);中文名稱為:(上夸克,下夸克),(粲夸克,奇異夸克),(頂夸克又叫真理夸克,底夸克又叫美麗夸克)];輕子也有三代,分別為,(e,ve),(μ,vμ),(τ,vτ)[英文名稱為:(electron, electron neutrino),(muon, muon neutrino),(tau,tau neutrino);中文名稱為(電子,電子中微子),(μ子,μ子中微子),(τ子, τ子中微子)],不同代的中微子之間可以互相轉變的,即所謂的中微子振蕩,這種現象要求中微子具有質量,超出了標準模型。媒介子(傳播子)的自旋為整數,是玻色子,分為:中間玻色子,W±和Z0,傳遞弱相互作用;光子,傳遞電磁相互作用;膠子,傳遞強相互作用;希格斯子,使得物質擁有質量。傳遞引力相互作用的引力子至今還沒有發現。

另外,玻色子遵循玻色-愛因斯坦統計,不遵守泡利不相容原理(電子簡併壓是由泡利不相容原理產生的,在天體演化中,它導致了白矮星的形成),在低溫時可以發生玻色-愛因斯坦凝聚。費米子服從費米-狄拉克統計,遵守泡利不相容原理。

標準模型中的費米子有六種是夸克(以紫色表示),有六種是輕子(以綠色表示),在這兩類粒子右邊有四種規範玻色子(以紅色表示),最右邊是希格斯玻色子(以黃色表示)。

圖3 標準模型中的基本粒子

來源:科普中國

如表所示,總計共有61種基本粒子。色(color)是一種內部自由度。值得注意的是,由於色禁閉和漸進自由,至今還沒能觀察到自由夸克,觀察到的只是由兩個夸克構成的介子、三個夸克構成的重子、四個夸克或者五個夸克構成的奇特態粒子。現代粒子物理學的各種理論模型是在標準模型的框架下,對粒子的各種性質進行更為詳細和精確地描述。

粒子的內秉性質包括:質量,電荷,自旋,宇稱性等;相互作用性質包括:產生道的截面,衰變道的分支比等。

標準模型中的希格斯機制

在粒子物理學裡,標準模型是一種被廣泛接受的框架,可以描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子。除了引力以外,標準模型可以合理解釋這世界中的大多數物理現象。

早期的標準模型所倚賴的規範場論闡明,基本力是源自於規範不變性,是由規範玻色子來傳遞。規範場論嚴格規定,規範玻色子必須不帶有質量,因此,傳遞電磁相互作用的規範玻色子(光子)不帶有質量。光子的質量的確經實驗證實為零。

藉此類推,傳遞弱相互作用的規範玻色子(W玻色子、Z玻色子)應該不帶有質量,可是實驗證實W玻色子與Z玻色子的質量不為零,這顯示出早期模型不夠完善,因此須要建立特別機制來賦予W玻色子、Z玻色子它們所帶有的質量。

由此在1960年代,幾位物理學者研究出一種機制,其能夠利用自發對稱性破缺來賦予基本粒子質量,同時又不會抵觸到規範場論。這機制被稱為希格斯機制,希格斯機制已被實驗證實。但是,物理學者仍舊不清楚關於希格斯機制的諸多細節。

圖4 英國物理學家彼得?希格斯

這機制假定宇宙遍布著希格斯場,其能夠與某些基本粒子相互作用,並且利用自發對稱性破缺使得它們獲得質量。

希格斯玻色子是伴隨著希格斯場的帶質量玻色子,是希格斯場的量子激發。假若能證實希格斯玻色子存在,就可以推論希格斯場存在,就好像從觀察海面的波浪可以推論出海洋的存在。

據說,希格斯在一次散步的過程中突發奇想,他認為空間就像水,物體在水中運動時會受到阻力,讓運動變得困難;相應的,粒子穿行於空間中也會受到某種阻礙,使其需要有所付出才能獲得加速度,在宏觀上就體現為「質量」。這就是所謂的「希格斯機制」。

理論物理學家布萊恩?格林做過一個有趣的比喻。可以吧「希格斯場」想像成「狗仔隊」,把空間中各種物質看做「明星」。「狗仔隊」看見他們就會一擁而上,將其團團圍住,而明星必須要使勁往前擠才能逃脫;明星擠得越費勁,與狗仔的互動越多,受到的阻力越大,說明他的「名氣」越大。明星們的「名氣」大小不同,相應的,不同粒子獲得的質量也不同。比如光子的靜質量為零(龍套演員?),因此光具有空間中最快的速度。

什麼是自發對稱破缺?

原來具有較高對稱性的系統出現不對稱因素,其對稱程度自發降低, 這種現象叫做對稱性自發破缺。或者用物理語言敘述為:控制參量 l 跨越某臨界值時,系統原有對稱性較高的狀態失穩,新出現若干個等價的、對稱性較低的穩定狀態,系統將向其中之一過渡。

用一個形象的類比來解釋什麼是自發對稱性破缺:一支以筆尖直立於水平面上的鉛筆,可以被看成是完全對稱的,任何方向對它來說都沒有區別;但如果這支鉛筆倒在水平面上,它的對稱性就被「打破」了,而它也同時達到了自己的基態或者說最低能階,此時它的狀態最為穩定。

希格斯粒子的發現

希格斯玻色子(英語:Higgs boson)是標準模型里的一種基本粒子,是一種玻色子,自旋為零,宇稱為正值,不帶電荷、色荷,極不穩定,生成後會立刻衰變。

希格斯玻色子是希格斯場的量子激發。根據希格斯機制,基本粒子因與希格斯場耦合而獲得質量。假若希格斯玻色子被證實存在,則希格斯場應該也存在,而希格斯機制也可被確認為基本無誤。

物理學者用了四十多年時間尋找希格斯玻色子的蹤跡。大型強子對撞機(LHC)是全世界至今為止最昂貴、最複雜的實驗設施之一,其建成的一個主要任務就是尋找與觀察希格斯玻色子與其它種粒子。

2012年7月4日,歐洲核子研究組織(CERN)宣布,LHC的緊湊μ子線圈(CMS)探測到質量為125.3±0.6GeV的新玻色子(超過背景期望值4.9個標準差),超環面儀器(ATLAS)測量到質量為126.5GeV的新玻色子(5個標準差),這兩種粒子極像希格斯玻色子。

2013年3月14日,歐洲核子研究組織發表新聞稿正式宣布,先前探測到的新粒子暫時被確認是希格斯玻色子,具有零自旋與偶宇稱,這是希格斯玻色子應該具有的兩種基本性質。

這也是第一個被發現的基本標量粒子(自旋為0)。以下列出幾個檢試這125GeV粒子是否為希格斯子的實驗項目:

? 玻色子:只有玻色子才能夠衰變為兩個光子。從實驗已觀常到這125GeV粒子能夠衰變為兩個光子,因此,這粒子是玻色子。

? 零自旋:這可以從檢驗衰變模式證實。在初始發現之時,觀察到125GeV粒子衰變為兩個光子,根據對稱性定律,可以排除自旋為1,剩下兩個候選自旋為0或2。這決定於衰變產物的運動軌道是否有嗜好方向,假若沒有,則自旋為0,否則,自旋為2。2013年3月,125GeV粒子的自旋正式確認為0。

? 偶宇稱(正宇稱):從研究衰變產物運動軌道的角度,可以查得到底是偶宇稱還是奇宇稱。有些理論主張,可能存在有膺標量(pseudoscalar)希格斯子,這種粒子擁有奇宇稱。2013年3月,125GeV粒子的宇稱暫時確認為正宇稱。排除零自旋奇宇稱假說,置信水平超過99.9%。

希格斯玻色子是因物理學者彼得?希格斯而命名。他是於1964年提出希格斯機制的六位物理學者中的一位。2013年10月8日,因為「次原子粒子質量的生成機制理論,促進了人類對這方面的理解,並且最近由歐洲核子研究組織屬下大型強子對撞機的超環面儀器及緊湊μ子線圈探測器發現的基本粒子證實」,弗朗索瓦?恩格勒、彼得?希格斯榮獲2013年諾貝爾物理學獎。

在b夸克的大海中撈針

希格斯機制,解決了弱矢量玻色子(W和Z)在理論上似乎不可能具有質量的難題。2012年發現希格斯玻色子是通過其衰變成光子實現的,Z玻色子和正負W玻色子也是標準模型建立在此機制上的勝利。希格斯場同樣能夠以一種優雅的方式為帶電費米子(夸克和輕子)獲得質量,嚴格按照和粒子質量成正比的所謂「湯川耦合」相互作用而實現的。2018年,觀察到希格斯玻色子衰變成輕子τ,提供了這種類型相互作用的第一個直接證據。

標準模型已對希子的衰變模式給出詳細預測。LHC已於2013年觀察到雙光子道等,證實希格斯場可以與玻色子相互作用。LHC又於2014年觀察到其它兩種模式,證實希格斯場可以與費米子相互作用。這意味著希子不只是衰變至傳遞作用力的玻色子,它還衰變至組成物質的費米子。

發現希格斯粒子六年之後,ATLAS探測器已經觀察到按照標準模型預言的那樣進行衰變的希格斯玻色子的30%。然而,希格斯玻色子到底夸克對的衰變(Hbb),有望用來解釋所有可能衰變中幾乎60%的衰變。觀察到這個衰變模式並且對其比例的測量,是證實(或者否定)費米子通過標準模型預言的湯川相互作用產生質量必須的步驟。

非常少有的Hγγ這樣的衰變模式在發現希格斯粒子時就已經找到,而大量存在的Hbb衰變,為什麼還花費6年這麼長的時間才實現這次觀察?主要原因在於:在質子-質子相互作用中希格斯玻色子的大量生產過程,只導致一對來自b夸克碎片的粒子射流(b-jets),它們跟來自強相互作用(量子色動力學或QCD)生產的b-夸克對形成的絕對優勢本底幾乎不可能區分開。為了克服這一挑戰,必須去考慮QCD中不存在的,量雖然少但是特徵明顯的生產過程,其中最有效的是能夠把希格斯子的生產跟矢量玻色子W或者Z聯繫起來的那些。輕子衰變Wlv、Zll、Zvv(其中l 代表電子或者μ子)就能夠提供這樣的信號,允許有效觸發又能大大降低QCD本底。

然而,希格斯玻色子信號遺留的數量級小於從頂夸克或者矢量玻色子生產的遺留本底引起的相似特徵,比如,一個頂夸克對能夠衰變為tt[(Wlv)b][(Wqq)b],末態包含一個電子或者一個繆子和兩個b夸克,跟(Wlv)(Hbb)信號完全一樣。

從這樣的本底區分出信號的障礙在於不變的質量,這種質量分布的例子如圖5所示,其中信號和相應的本底差距用數據顯示出來。

圖5:在(Wlv)(Hbb)探索通道里的質量分布,信號用紅色表示,不同的本底用其他不同顏色表示,數據表示為有誤差棒的點。

來源:ATLAS 小組/CERN

當所有的WH和ZH衰變道聯合起來並且從數據減去本底(除去WZ和ZZ生產),分布情況由圖6所示,顯示出從Z玻色子衰變成b-夸克對清晰尖峰,表明分析過程有效,上邊的肩部在形狀和比列上都和希格斯玻色子生產的預言一致。

圖6:質量的分布源自於探索通道的結合,其中減去除了WZ和ZZ生產之外的所有本底,數據(有誤差棒的點)相比於WZ和ZZ生產(灰色)和WH和ZH(紅色)的期望。

來源:ATLAS 小組/CERN

新的烏雲

美國物理學家、1988年諾貝爾物理學獎獲得者利昂?萊德曼曾著有粒子物理方面的科普書籍《上帝粒子:如果宇宙是答案,那麼問題是什麼?》,後來媒體也沿用了這一稱呼,常常將希格斯子稱作是「上帝粒子」(The GodParticle)。

一直到今天,希格斯玻色子被發現,走了近100年,我們才發現,物理學大門還沒有完全打開。希格斯粒子被發現,足以證明人類是多麼了不起的生靈。預言的衰變機制被觀測到進一步支持了摸准模型。所以引力波和希格斯玻色子的發現,絕對稱的上是劃時代的發現。對於我們探索宇宙的本質有極大的幫助。希格斯玻色子對於標準模型是如此的重要,原因是它的存在證明了希格斯場。其他粒子在希格斯玻色子作用下產生質量,為宇宙形成奠定基礎。

而涉及到質量,我們必然會考慮引力。也就是希格斯場與引力有什麼關係?但關於希格斯機制,關於強,弱,電三種力統一的根本性問題,我們還不知道。還有引力也還孤立在這個規範場論之外。

100多年前,開爾文爵士宣稱物理大廈已經落成,所剩只是一些修修補補的工作,但它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏雲籠罩了。一是邁克爾遜莫雷實驗(「以太」與光行差的矛盾),一是黑體輻射與"紫外災難"。兩朵烏雲中分別誕生了「相對論」和「量子論」。

就像19世紀末的經典物理學一樣,與標準模型的成功不相稱的是,它預測中微子應該是沒有質量的,而中微子震蕩表明應該有質量。標準模型也無法描述暗物質的存在,暗能量是個什麼東西。

這些「烏雲」會讓我們從背後找到新的大一統理論的答案嗎?值得期待和思考。

圖7 引力劇場——后髮座星系團

來源:哈勃

參考文獻

【1】Long-sought decay of Higgs boson observed,CERN

【2】見微知著,靈遁者

【3】2015 年諾貝爾物理學獎「中微子振蕩」具體是在研究什麼?,知乎

【4】希格斯粒子為什麼重要?,知乎

【5】天體物理導論,北京大學出版社

【6】終於觀察到希格斯玻色子的底夸克(bb ?)衰變方式!,物理學簡報譯文

【7】我們怎麼知道宇宙中存在暗物質與暗能量?,科普中國

【8】希格斯玻色子,百度百科

【8】粒子天體物理,中國科學技術大學出版社

【9】相對論百問,北京師範大學出版社

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