2018年7月9日,欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)上的ATLAS实验在韩国首尔举行的国际高能物理会议上宣布,独立发现了希格斯粒子的最主要的衰变过程——正反底夸克对衰变。同年8月5日,CERN的CMS实验组也确认这个发现。8月28日,CERN通过发布会正式宣布这个激动人心的结果,物理学家都欢呼沸腾,各国的媒体都有追踪报道。
希格斯玻色子究竟是何方神圣?
为什么希格斯玻色子如此重要?希格斯玻色子也被誉为“上帝粒子”,它之所以如此受重视,是因为它是基本粒子质量的来源。基本粒子为物理世界的基本单元。如果把物质分割得越来越小,你会得到构成物质的分子或者原子;但这些东西还能进一步分解成电子和原子核;而原子核又可以继续被分割成质子和中子,而它们的内部则是夸克。夸克与电子是目前我们所知道构成世界的基本粒子,理解它们的质量来源对科学家探索物理世界的意义非常重大。
希格斯场在宇宙的形成中也扮演着重要的角色。在宇宙大爆炸之初,各种基本粒子(包括电子)都是以光速运动,并没有形成物质结构。在希格斯场作用下,基本粒子(如电子、夸克)获得质量,最终形成原子、分子等构成物质世界的单元。经过漫长岁月形成星系等大型物质结构,最后促使生命的出现。综上所述,希格斯粒子与基本粒子的相互作用是我们研究微观物质世界与宇宙的关键之一。
从2012年至2018年,希格斯玻色子的研究热潮并未退却,实验物理学家陆续发现并证实了希格斯粒子衰变成各种不同粒子(光子对、W玻色子对、Z玻色子和τ轻子对等过程),这些已经观察到的衰变虽有重要意义,但其在希格斯玻色子的衰变中只占不到30%;希格斯玻色子衰变成一对底夸克,才是其最频繁发生的主要衰变过程,占比高达58%。
由于强子对撞机上胶子背景事例数(g→bb)是信号的一千万倍以上,所以该衰变道一直无法被实验观测确认。
在本文开头提到的ATLAS与CMS实验联合了多个希格斯玻色子产生过程的分析的结果,其中包括胶子融合过程(ggF),矢量玻色子融合过程(VBF),W/Z玻色子对伴随产生过程(W/Z+H),顶夸克对伴随产生过程(ttH)。
在此次的分析中,ATLAS与CMS实验利用统计方法综合了各个分析的结果,最终两个实验分别以超过5倍标准偏差的信号显著度首次发现衰变道。其中,中国ATLAS组的中国科学院高能物理研究所在ggF与VBF过程的分析中作了关键贡献。中国ATLAS组的山东大学、中国科学技术大学、南京大学、上海交通大学和李政道研究所等单位在W/Z+H过程的分析中作了关键贡献。
中国CMS组的中国科学院高能物理研究所在ttH过程的分析中作了关键贡献。中国组所有成员单位都对ATLAS与CMS探测器运行维护以及硬件升级等作出了重要贡献,而探测器(特别是像素探测器)是有效探测底夸克的硬件基础。这项发现填补对希格斯粒子认知的一大空白,并将进一步证实解释夸克质量的希格斯机制。