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

（图片来源于Daily Galaxy）

“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。”

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。

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。

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。

“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。”

在当前的物理学理论中，希格斯场和标准模型中的所有大质量粒子相互作用，是对亚原子粒子行为的最佳解释。但许多科学家怀疑，希格斯玻色子也可能与标准模型之外的巨大粒子相互作用，比如暗物质。要证明此事，需要大量发现和绘制希格斯玻色子与已知粒子的相互作用，认清这些已知产物，才能探究理论外的事物。

“希格斯玻色子中的一小部分衰变后，可能会产生暗物质粒子，”石溪大学物理学家、希格斯玻色子——底夸克分析小组负责人之一的皮亚克迪奥(Giacinto Piacquadio)说，“因为希格斯玻色子到底夸克的衰变非常普遍，我们可以用它来约束潜在的、看不见的衰变，也可以用它来直接探索新的物理理论。”

尽管这种衰变理论已经近乎成为业界共识，但要在实验数据中找到依据，并不容易。每一次质子与质子的激烈碰撞，都会导致亚原子副产品四处飞溅，其中最常见的就是底夸克。这些底夸克会迅速衰变，在探测器中留下大量粒子。追踪这些粒子簇到2个底夸克(然后找出哪1个来自希格斯玻色子)是一项极其精细和复杂的工作。

“在实验数据中识别和分离底夸克是一个巨大的挑战，需要精确的探测器校准和复杂的底夸克标记，” 皮亚克迪奥说，“多亏了之前多年的工作，我们才得以将分析进行到这一步。”

为了探究这个过程，ATLAS和CMS团队将LHC第1次和第2次运行的数据结合起来，然后对数据采取了复杂的分析方法。“，要证明希格斯玻色子衰变称2个底夸克，仅仅找到1个事件是不够的，”参与CMS分析的普林斯顿科学家帕尔默(Chris Palmer)说，“我们需要分析成千上万的事件，才能阐明这一过程，而这一过程发生在一堆看似相似的背景事件之上。”根据帕尔默的说法，这些欺骗性的背景事件，使得他们几乎不可能仅靠孤立的底夸克分析完成。

“幸运的是，有一些希格斯玻色子会产生可识别的副产品粒子，我们用这些粒子来标记潜在的希格斯玻色子，并将它们与其他物质分离开来。我们的这项分析可以说是一石二鸟，不仅发现了希格斯粒子衰变到底夸克的结果，而且还了解了它的产生机制。

据了解，他们的下一个目标是提高测量的精度，以便以更高的分辨率研究这种衰变模式，探索希格斯玻色子可能隐藏的秘密。