强子对撞机抓住,化学家捕获

2019-08-31 03:09栏目:奥门新萄京娱乐场
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原标题:强子对撞机抓住“上帝”的秘密 科学家成功观测到希格斯玻色子的最常见衰变

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“上帝粒子”常见衰变终于被“捕获”。图片来源:ATLAS/CERN

(图片来源于Daily Galaxy)

与世界上最大的原子加速器一起工作的物理学家如今发现最新、最奇怪的粒子——希格斯玻色子在大部分时间里都在衰变。作为一个重量为130个质子的亚原子粒子,“上帝粒子”希格斯玻色子持续的时间仅有1纳秒的一万亿分之十,随后它便衰变为更小的粒子。

“希格斯玻色子是我们宇宙的一个组成部分,从理论上讲,它可以给所有基本粒子以质量,”美国能源部费米国家加速器实验室科学家、近来刚被选为欧洲核子研究中心(CERN) CMS实验副发言人的麦克布莱德(Patty McBride)说,“但我们还没有确切地证据,证明这个磁场是如何与我们所知的所有粒子相互作用的,或者它是否与可能存在的暗物质粒子相互作用。”

用瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室的大型强子对撞机工作的物理学家8月28日报告说,已经发现了希格斯粒子衰变为一个叫做底夸克的粒子和它的反物质对应物——一个反底夸克。这一“常见衰变”的捕获被研究人员看作是探索希格斯玻色子的里程碑。

昨天,欧洲大型强子对撞机项目的超环面仪器实验(ATLAS)和CMS团队共同宣布,他们观测到了“上帝粒子”希格斯玻色子在衰变时转变为底夸克的过程。他们预测,这是希格斯玻色子衰变最常见的方式。由于背景噪音与这种微妙的信号非常接近,希格斯玻色子还未能分离出来,不过,这也是在理解希格斯粒子和基本粒子质量获得过程上,迈出的一大步。

根据粒子物理学标准模型预测,57%的时间内希格斯玻色子都会衰变成一对底夸克,也就是6种夸克中第二重的夸克。然而具有讽刺意味的是,观察到这种衰变是非常困难的,因为LHC中极其混乱的碰撞产生了大量的底夸克和反底夸克,从而掩盖了所需的信号。

经过对实验历经数年的改进,以及新数据源源不断地获得,2个实验团队最终都发现了希格斯粒子衰变到底夸克的证据,超过了作为判断标准的5-sigma统计显著性阈值。2个团队均表示,他们的实验结果与基于标准模型的预测一致。

新的观测结果支持了标准模型对这一“常见衰变”的预测。研究人员说,如果观测结果与标准模型的预测不符,则会动摇标准模型的基础并指出新的物理学方向。

希格斯玻色子的产生的条件非常苛刻,需要在大型强子对撞机进行约10亿次碰撞,才能观测,而且它的寿命极为段在,在它们的能量转化成一连串其他粒子之前,只能存在几分之一秒。由于不可能直接看到希格斯玻色子,科学家们使用这些次级粒子衰变产物来研究它的特性。自从2012年发现希格斯玻色子以来,在其衰变物中,科学家们按照现有理论只能识别出约30%。美国能源部布鲁克海文国家实验室ATLAS物理学家卡瓦莉尔(Viviana Cavaliere)表示,过去几年,由于希格斯玻色子的衰变速度非常快,抓住它一直是人们的首要任务。

40多年前,科学家们建立起一套名叫“标准模型”的粒子物理学理论,但这一理论一直缺少最后一块拼图,即希格斯玻色子。这一难以寻觅又极为重要的“上帝粒子”被认为是解释其他粒子如何获取质量的关键。2012年7月,LHC研究人员宣布发现希格斯玻色子,这是LHC最为显赫的成绩。

“根据现有理论预测,应该有60%的希格斯玻色子衰变为底夸克,” 卡瓦莉尔说,她同时也在利用实验结果,革新物理学理论,“发现和理解这个通道至关重要,因为它为我们研究希格斯粒子的行为,比如它是否能与新发现的粒子相互作用,提供了可能性。”

研究人员介绍,希格斯玻色子有多个衰变通道,此次观测到其常见的衰变通道绝非易事,主要困难在于质子和质子的碰撞中存在许多产生底夸克的其他方法,因此很难将希格斯玻色子衰变信号与相关干扰隔离开。相比而言,物理学家在6年前发现希格斯玻色子时观察到它不太常见的衰变通道——比如衰变为一对光子——则更容易从背景中提取。这一衰变理论预测只有9%的时间发生。

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