首次!科学家发现希格斯玻色子罕见衰变的证据

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  据国外媒体报道,科学家们发现了希格斯玻色子罕见衰变的首个证据,从而扩大了我们对奇怪的量子宇宙的理解。2012年的诺贝尔物理学奖表彰了一项突破性的发现:希格斯玻色子的发现。

  近50年前,物理标准模型预测,存在这样一种亚原子粒子。希格斯玻色子十分不稳定,生产后会迅速衰变为质量更小的离子,如两个光子(轻粒子)。

  现在,在瑞士,欧洲核子研究组织的大型强子对撞机的研究人员使用ATLAS和CMS,发现了罕见的希格斯玻色子衰变的证据,其中该亚原子粒子衰变为一个光子和两个轻粒子。轻粒子是一种可以带电或不带电的基本粒子。(例如,电子和μ子就是两种带电的轻粒子。)具体而言,研究人员发现证据,可以证明希格斯玻色子可以衰变成一个光子和一对电子,或一个光子和一对电荷相反的μ子。

  通过使用标准模型,科学家能够预测出,希格斯玻色子可以衰变成不同的基本粒子,其中比较“普遍”的一种是衰变成两个光子。他们还可以估计出,希格斯玻色子衰变成不同粒子组合的频率,但希格斯玻色子衰变成一个光子和两个轻粒子却十分罕见。

  在这种衰变类型中,希格斯玻色子在生成后迅速变成一个光子和一个被科学家们称为“虚拟光子”粒子。这个“虚拟光子”(也称为“离壳光子”)接着马上衰变成其他粒子。而在这个衰变类型中,“虚拟光子”则衰变成了两个轻粒子。大型强子对撞机ATLAS实验室的粒子物理学家詹姆斯·比彻姆说,该“虚拟光子”具有非常小的非零质量,而普通光子则完全没有质量。

  比彻姆补充说,这两个“撞击了热量计的”轻粒子“彼此非常接近”。大型强子对撞机的热量计,可以阻止粒子碰撞产生的粒子。当该工具阻止或“吸收”了粒子时,科学家便可以发现和研究它们。

  虽然科学家们已经预测希格斯玻色子应该存在这种类型的衰变,但比彻姆说,这一新的发现是“该希格斯玻色子极罕见衰变模式的第一个证据”。

  但是,比彻姆接着补充说,研究团队想要直接观察到这种罕见的衰变,或许需要等到他们在接下来的高亮度大型强子对撞机项目中,将设备升级之后。(这将在LHC Run 3之后进行。本研究中使用的数据来自于Run 2,即2015年开始到2018年结束的第二轮大型强子对撞机运行。Run 3将于2022年3月开始。)

  ATLAS的一份声明写道:“随着高亮度LHC项目预期可以提供大量的数据,研究希格斯玻色子的罕见衰变将成为新常态。”

  通过研究这类罕见的衰变,科学家们可以探索超越标准模型的新物理可能性。比彻姆表示,标准模型解释了我们现实宇宙中的很多事物,但其中并不包括重力或暗物质。人们认为,已知宇宙中80%的物质为不发光且无法被直接观测到的暗物质。然而,科学家们至今还不清楚暗物质到底是什么。

  他说:“我们一直在尝试拓展标准模型。我们必须找到一个窗口或传送门,从我们的世界进入这个黑暗的未知世界。其中一个希望就是希格斯玻色子。”比彻姆还解释,这个“黑暗的未知世界”涵盖了标准模型以外的物理学。

  但是,目前也无需过于兴奋。比彻姆说,新的研究“并未提供任何关于希格斯玻色子进入该’黑暗未知世界’的新信息”。但是,他也强调,“新研究证明,我们可以较为轻松地寻找到这种罕见的现象”——这可以推动全面的探索。

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