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大型强子对撞机发现极罕见的希格斯玻色子衰变过程

CERN 强子对撞机 粒子物理学
发布:2020-10-12 16:18:02    

紧凑型μon螺线管(CMS)是大型强子对撞机(LHC)的通用探测器。它具有广泛的物理程序,范围从研究标准模型(包括希格斯玻色子)到搜索可能构成暗物质的额外尺寸和粒子。CMS检测器围绕一个巨大的电磁线圈构建。它采用超导电缆的圆柱形线圈的形式,产生4特斯拉的磁场,约为地球磁场的100,000倍。磁场受到钢“轭”的限制,该“轭”构成了探测器14,000吨重量的大部分。来源:CERN

希格斯玻色子在2012年一夜成名,当时它在瑞士日内瓦CERN的大型强子对撞机(LHC)产生的一堆其他粒子中被发现。这一发现之所以具有里程碑意义,是因为以前仅对其进行过理论化的希格斯玻色子具有赋予其他基本粒子大量质量的特殊特性。在碰撞颗粒的碎片中也极其罕见且难以识别。

加州理工学院的物理学家在希格斯玻色子的发现中发挥了重要作用,这一结果使理论物理学家彼得·希格斯获得了2013年诺贝尔物理学奖的一部分,现在他们继续对稀有的希格斯玻色子过程做出重要发现。

今年夏天,粒子物理学家首次使用在大型强子对撞机中被称为紧凑型介子螺线管(CMS)的实验收集的数据,发现了证据,证明希格斯玻色子会衰变成一对称为μ子的基本粒子。介子是电子的重形式,介子和电子都属于一类称为费米子的粒子,正如被广泛接受的称为标准模型的粒子模型中所述。标准模型将所有粒子分类为费米子或玻色子。通常,费米子是所有物质的基础,而玻色子是力的载体。

介子也被称为第二代粒子。第一代费米子粒子,例如电子,是最轻的粒子。第二代和第三代粒子可以衰减成为第一代粒子。这一新发现代表了希格斯玻色子与第二代费米子相互作用的第一个证据。

另外,该结果提供了进一步的证据,证明希格斯对费米子对的衰减率与费米子质量的平方成正比。这是对希格斯理论的关键预测。有了更多的数据,大型强子对撞机实验有望证实希格斯确实赋予了基本粒子以质量。

大型强子对撞机的紧凑型Muon螺线管实验。来源:CERN / CMS

“这种测量的重要性在于,我们正在探测涉及希格斯玻色子的罕见过程,并且我们处于精确的希格斯物理学研究体制中,任何偏离标准模型预测的现象都可以将我们引向新的物理学领域。” -易钦(Citech)物理学教授。

科学家分析了大型强子对撞机另一种称为ATLAS的仪器的数据,他们还发现了确凿的证据,证明希格斯玻色子会衰变成μ子。两项实验的结果均在2020年8月的第40届国际高能物理会议上发表。

“我们需要更多的数据和聪明的分析方法来确认我们的结果,但这是我们第一次看到希格斯玻色子衰减为两个μ子的证据,”加州理工学院CMS小组成员,研究生Irene Dutta(MS '20)说。 Spiropulu实验室的学生。“该结果通过实验证明了粒子物理学标准模型的预测是正确的。即使与我们的模型存在很小的偏差也可以告诉我们还有其他事情在进行,但是到目前为止,标准模型仍然很牢固。

这一发现最终将帮助科学家更好地理解希格斯玻色子是如何赋予费米子质量的。希格斯玻色子可以被认为是希格斯场的摇动或激发。希格斯场的作用就像浓稠的糖浆一样,当颗粒通过它时,它们会吸收质量。粒子穿过磁场的速度越慢,它们越重(有关此概念的隐喻说明,请参见下面的视频)。

 

加州理工学院CMS团队成员Spiropulu实验室的博士后学者Nan Lu说:“我们想了解我们宇宙中物质的起源。” “希格斯玻色子是理解这种机制的实验工具,并且可能是发现新物理学的一种手段。“我们无法系统地观察到希格斯玻色子或其他基本粒子,除非它们表现为高能粒子碰撞,但它们是我们宇宙的基本组成部分。”卢说。

加州理工学院的团队通过寻找一种由希格斯玻色子产生的新发现做出了贡献,该希格斯玻色子同时也产生了两个称为夸克的粒子(夸克是另一种费米子)。这个过程特别有趣,因为两个夸克提供了不同的特征来帮助识别希格斯玻色子。Lu开发了一种方法来探测CMS搜索对于希格斯玻色子的不同质量的敏感性,从而提高发现结果的可信度。Dutta致力于展示先进的人工智能(AI)方法论工具(称为深度神经网络)的功能,以分析LHC数据。

Dutta和Lu都帮助得出了最终的灵敏度结果。加州理工学院前博士后学者若泽·帕塔(Joosep Pata)现在在爱沙尼亚国家化学物理与生物物理学院任教,他开发了新颖的方法来加速该项目中使用的复杂计算分析。

Spiropulu说:“探测希格斯玻色子的性质无异于寻找我们知道必须存在的新物理学。” “我为Nan,Irene,Joosep和整个Caltech CMS小组的工作感到特别自豪,他们的才华,多样性和成果闪耀于国际合作的大背景下。”

加州理工学院的CMS团队还包括Harvey Newman,Marvin L. Goldberger物理学教授;谢思,物理学研究助理教授;研究科学家Adi Bornheim和CristiánPeña(MS '15,PhD '17);加州理工学院CMS电磁热量计团队的负责人朱仁元。

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