探索夸克和輕子的質(zhì)量起源

希格斯粒子

我們所生活的這個(gè)宇宙，是由基本粒子構(gòu)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(zhì)量的。而它們之所以獲得質(zhì)量，是因?yàn)榱Ｗ訒?huì)與希格斯場(chǎng)相互作用。粒子與希格斯場(chǎng)的相互作用越強(qiáng)，獲得的質(zhì)量就越大。

根據(jù)量子物理學(xué)，所有的場(chǎng)都有其對(duì)應(yīng)的粒子。這些場(chǎng)彌漫在整個(gè)空間中，激發(fā)不同的場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的粒子。而與希格斯場(chǎng)相關(guān)的粒子是希格斯玻色子。

盡管早在上個(gè)世紀(jì)六十年代物理學(xué)家就已經(jīng)預(yù)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子的確鑿證據(jù)。這是標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的粒子。

粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)力和弱力）相互作用。

發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子并不意味著結(jié)束，相反，物理學(xué)家仍在不斷地探索其性質(zhì)。

在一項(xiàng)新發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》的研究中，CERN的ATLAS合作組通過對(duì)希格斯玻色子衰變?yōu)橐粚?duì)μ子和反μ子的測(cè)量，進(jìn)一步探索了夸克和輕子的質(zhì)量起源。

第二代費(fèi)米子的質(zhì)量也源于希格斯場(chǎng)？

夸克和輕子都屬于費(fèi)米子，它們是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最基本物質(zhì)組成單元。夸克有六種“味”，分別為上、下、頂、底、粲、奇，受到強(qiáng)、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(zhì)量范圍跨越了5個(gè)數(shù)量級(jí)以上，頂夸克的質(zhì)量幾乎是電子的34萬倍。如此巨大的質(zhì)量等級(jí)是如何產(chǎn)生的呢？

在此前的LHC實(shí)驗(yàn)中，ATLAS合作組和CERN的CMS合作組已經(jīng)在第三代費(fèi)米子——頂夸克（173 GeV）、底夸克（4.2 GeV）以及τ輕子（1.8 GeV）這幾個(gè)最重的費(fèi)米子上證實(shí)了它們與希格斯場(chǎng)之間的相互作用。

那么，同樣的機(jī)制是否也適用于更輕的第二代費(fèi)米子（比如μ子和粲夸克）呢？物理學(xué)家把目光投向了質(zhì)量為0.106 GeV的μ子。然而，這在實(shí)驗(yàn)上面臨的挑戰(zhàn)卻極其嚴(yán)峻。

大海撈針

希格斯玻色子會(huì)衰變成一個(gè)μ子和反μ子對(duì)（H→μμ），但發(fā)生概率極低——約每5000次希格斯衰變中，只有一次會(huì)出現(xiàn)這一衰變過程。要識(shí)別這一罕見的衰變過程，難度堪比大海撈針。因?yàn)槲锢韺W(xué)家需要尋找質(zhì)量約125 GeV的（對(duì)應(yīng)希格斯質(zhì)量）處的雙μ子衰變的微量過剩事件。然而，有成千上萬對(duì)來自其他過程產(chǎn)生的μ子（“背景”）會(huì)嚴(yán)重淹沒目標(biāo)信號(hào)。

在2021年，CMS合作組首次給出了有統(tǒng)計(jì)意義的跡象，表明希格斯場(chǎng)以預(yù)期的強(qiáng)度與μ子發(fā)生了相互作用。他們?cè)诒尘爸嫌^測(cè)到約3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的過剩信號(hào)，得到的衰變率約為理論預(yù)期的1.2倍。

為了提升探測(cè)靈敏度，ATLAS合作組的物理學(xué)家將LHC第三輪運(yùn)行的前三年數(shù)據(jù)（2022–2024，共165fb?1）與完整的第二輪運(yùn)行數(shù)據(jù)集（2015–2018，共140fb?1）合并分析。他們開發(fā)了更先進(jìn)的方法來更好地模擬背景過程，并根據(jù)希格斯玻色子的不同產(chǎn)生方式對(duì)事件進(jìn)行分類，進(jìn)一步優(yōu)化事件篩選技術(shù)，以提高真實(shí)信號(hào)的識(shí)別概率。

ATLAS合作組在13 TeV和13.6 TeV的質(zhì)子和質(zhì)子碰撞中搜索125 GeV希格斯玻色子的雙μ子衰變時(shí)，觀測(cè)到相對(duì)于背景的3.4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的過剩信號(hào)。由此推斷出的希格斯玻色子衰變?yōu)棣套雍头处套訉?duì)的衰變率是理論預(yù)期的1.4倍。

還有許多謎題

新的結(jié)果表明，希格斯場(chǎng)像賦予最重的費(fèi)米子質(zhì)量那樣，也賦予了μ子

質(zhì)量。

不過，對(duì)于粒子物理學(xué)家而言，這樣的證據(jù)還不夠有說服力，因?yàn)橹挥薪Y(jié)果達(dá)到5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，才能說是發(fā)現(xiàn)。一旦達(dá)到這個(gè)水平，研究人員就能盡可能精確地比較理論與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，從而追問：希格斯相互作用是否是費(fèi)米子質(zhì)量的唯一來源。

接下來，還有許多工作有待完成。粒子物理學(xué)家還希望能測(cè)量希格斯場(chǎng)與奇夸克、下夸克以及上夸克之間的相互作用率，而那將會(huì)是極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在更遙遠(yuǎn)的未來，物理學(xué)家的目標(biāo)是直接觀測(cè)到希格斯玻色子衰變?yōu)橐粋€(gè)電子和一個(gè)正電子——這一事件大約在2億次衰變中才會(huì)發(fā)生一次。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，等同于揭示電子的起源，這將是非凡的成就。

即便最終確認(rèn)費(fèi)米子的質(zhì)量是由其與希格斯場(chǎng)的相互作用所決定，那么又是什么決定了每一種費(fèi)米子的具體質(zhì)量數(shù)值呢？為什么頂夸克那么重？為什么中微子那么輕？關(guān)于物質(zhì)粒子的質(zhì)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