捕捉“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


  2018-08-31 丨新闻  丨 NASA China  丨 暂无 丨 517

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欧洲核子研究中心(CERN)28日宣布,在发现“上帝粒子”——希格斯玻色子6年后,研究人员终于观测到它衰变为一对底夸克。这一“常见衰变”的捕获被研究人员看作是探索希格斯玻色子的里程碑。

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,而且它的寿命极为短暂,假设希子质量为126 GeV,则标准模型预测平均寿命大约为1.6×10−22 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。

根据粒子物理学标准模型预测,约60%的希格斯玻色子都会衰变成一对底夸克,也就是6种夸克中第二重的夸克(第一为顶夸克)。新的观测结果支持了标准模型对这一“常见衰变”的预测。研究人员说,如果观测结果与标准模型的预测不符,则会动摇标准模型的基础并指出新的物理学方向(还有其他粒子有待发现?)。

捕捉“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1 希格斯玻色子衰变为两个底夸克(蓝圈),伴有一个W玻色子衰变为一个μ子(红线)和一个中微子(白线)的ATLAS候选事件
来源:ATLAS/CERN

40多年前,科学家们建立起一套名叫“标准模型”的粒子物理学理论,但这一理论一直缺少最后一块拼图,即希格斯玻色子。这一难以寻觅又极为重要的“上帝粒子”被认为是解释其他粒子如何获取质量的关键。2012年7月,欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)研究人员宣布发现希格斯玻色子,这是LHC最为显赫的成绩。

捕捉“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2 希格斯玻色子衰变为两个底夸克(蓝),伴有一个Z玻色子衰变为一对正负电子(红)的CMS候选事件。
来源:CMS/CERN

研究人员介绍,希格斯玻色子有多个衰变道,此次观测到其常见的衰变道(衰变为底夸克)绝非易事,主要困难在于质子和质子的碰撞中存在许多产生底夸克的途径,因此很难将希格斯玻色子衰变信号与噪声干扰隔离开。相比而言,当年发现希格斯玻色子时观察到它不太常见的衰变道(衰变为一对光子)则更容易从背景中提取。

为提取信号,大型强子对撞机两个实验项目组ATLAS(超环面仪器)和CMS(紧凑μ子线圈)各自组合了大型强子对撞机的两次运行数据进行分析。结果检测到希格斯玻色子衰变为一对底夸克。此外,两个项目组还在当前的测量精度范围内测量到与标准模型预测相一致的衰减速率。

标准模型中的基本粒子

到目前为止,标准模型是物理学对于物质世界最深刻和最客观的认识,是描述物质基本组成和运行最成功的理论。标准模型认为,物理真空并不是一无所有,真空中充满场,场的激发态是粒子。粒子分为组成子和媒介子,组成子即构成现有物质世界的“基本”粒子,媒介子是传递相互作用的粒子。

组成子(物质子)的自旋为半奇数,是费米子,分为夸克和轻子。夸克有三代,分别为:(u,d),(c,s),(t,b)[英文名称为:(up quark, down quark),(charm quark, strange quark),(top quark or truth quark,bottom quark or beauty quark);中文名称为:(上夸克,下夸克),(粲夸克,奇异夸克),(顶夸克又叫真理夸克,底夸克又叫美丽夸克)];轻子也有三代,分别为,(e,ve),(μ,vμ),(τ,vτ)[英文名称为:(electron, electron neutrino),(muon, muon neutrino),(tau,tau neutrino);中文名称为(电子,电子中微子),(μ子,μ子中微子),(τ子, τ子中微子)],不同代的中微子之间可以互相转变的,即所谓的中微子振荡,这种现象要求中微子具有质量,超出了标准模型。媒介子(传播子)的自旋为整数,是玻色子,分为:中间玻色子,W±和Z0,传递弱相互作用;光子,传递电磁相互作用;胶子,传递强相互作用;希格斯子,使得物质拥有质量。传递引力相互作用的引力子至今还没有发现。

另外,玻色子遵循玻色-爱因斯坦统计,不遵守泡利不相容原理(电子简并压是由泡利不相容原理产生的,在天体演化中,它导致了白矮星的形成),在低温时可以发生玻色-爱因斯坦凝聚。费米子服从费米-狄拉克统计,遵守泡利不相容原理。

标准模型中的费米子有六种是夸克(以紫色表示),有六种是轻子(以绿色表示),在这两类粒子右边有四种规范玻色子(以红色表示),最右边是希格斯玻色子(以黄色表示)。

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图3 标准模型中的基本粒子
来源:科普中国

如表所示,总计共有61种基本粒子。色(color)是一种内部自由度。值得注意的是,由于色禁闭和渐进自由,至今还没能观察到自由夸克,观察到的只是由两个夸克构成的介子、三个夸克构成的重子、四个夸克或者五个夸克构成的奇特态粒子。现代粒子物理学的各种理论模型是在标准模型的框架下,对粒子的各种性质进行更为详细和精确地描述。

粒子的内秉性质包括:质量,电荷,自旋,宇称性等;相互作用性质包括:产生道的截面,衰变道的分支比等。

标准模型中的希格斯机制

在粒子物理学里,标准模型是一种被广泛接受的框架,可以描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子。除了引力以外,标准模型可以合理解释这世界中的大多数物理现象。

早期的标准模型所倚赖的规范场论阐明,基本力是源自于规范不变性,是由规范玻色子来传递。规范场论严格规定,规范玻色子必须不带有质量,因此,传递电磁相互作用的规范玻色子(光子)不带有质量。光子的质量的确经实验证实为零。

借此类推,传递弱相互作用的规范玻色子(W玻色子、Z玻色子)应该不带有质量,可是实验证实W玻色子与Z玻色子的质量不为零,这显示出早期模型不够完善,因此须要建立特别机制来赋予W玻色子、Z玻色子它们所带有的质量。

由此在1960年代,几位物理学者研究出一种机制,其能够利用自发对称性破缺来赋予基本粒子质量,同时又不会抵触到规范场论。这机制被称为希格斯机制,希格斯机制已被实验证实。但是,物理学者仍旧不清楚关于希格斯机制的诸多细节。

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图4 英国物理学家彼得•希格斯
来源:www.ed.ac.uk

这机制假定宇宙遍布着希格斯场,其能够与某些基本粒子相互作用,并且利用自发对称性破缺使得它们获得质量。

希格斯玻色子是伴随着希格斯场的带质量玻色子,是希格斯场的量子激发。假若能证实希格斯玻色子存在,就可以推论希格斯场存在,就好像从观察海面的波浪可以推论出海洋的存在。

据说,希格斯在一次散步的过程中突发奇想,他认为空间就像水,物体在水中运动时会受到阻力,让运动变得困难;相应的,粒子穿行于空间中也会受到某种阻碍,使其需要有所付出才能获得加速度,在宏观上就体现为“质量”。这就是所谓的“希格斯机制”。

理论物理学家布莱恩•格林做过一个有趣的比喻。可以吧“希格斯场”想象成“狗仔队”,把空间中各种物质看做“明星”。“狗仔队”看见他们就会一拥而上,将其团团围住,而明星必须要使劲往前挤才能逃脱;明星挤得越费劲,与狗仔的互动越多,受到的阻力越大,说明他的“名气”越大。明星们的“名气”大小不同,相应的,不同粒子获得的质量也不同。比如光子的静质量为零(龙套演员?),因此光具有空间中最快的速度。

什么是自发对称破缺?

原来具有较高对称性的系统出现不对称因素,其对称程度自发降低, 这种现象叫做对称性自发破缺。或者用物理语言叙述为:控制参量 l 跨越某临界值时,系统原有对称性较高的状态失稳,新出现若干个等价的、对称性较低的稳定状态,系统将向其中之一过渡。

用一个形象的类比来解释什么是自发对称性破缺:一支以笔尖直立于水平面上的铅笔,可以被看成是完全对称的,任何方向对它来说都没有区别;但如果这支铅笔倒在水平面上,它的对称性就被“打破”了,而它也同时达到了自己的基态或者说最低能阶,此时它的状态最为稳定。

希格斯粒子的发现

希格斯玻色子(英语:Higgs boson)是标准模型里的一种基本粒子,是一种玻色子,自旋为零,宇称为正值,不带电荷、色荷,极不稳定,生成后会立刻衰变。

希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。根据希格斯机制,基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。假若希格斯玻色子被证实存在,则希格斯场应该也存在,而希格斯机制也可被确认为基本无误。

物理学者用了四十多年时间寻找希格斯玻色子的踪迹。大型强子对撞机(LHC)是全世界至今为止最昂贵、最复杂的实验设施之一,其建成的一个主要任务就是寻找与观察希格斯玻色子与其它种粒子。

2012年7月4日,欧洲核子研究组织(CERN)宣布,LHC的紧凑μ子线圈(CMS)探测到质量为125.3±0.6GeV的新玻色子(超过背景期望值4.9个标准差),超环面仪器(ATLAS)测量到质量为126.5GeV的新玻色子(5个标准差),这两种粒子极像希格斯玻色子。

2013年3月14日,欧洲核子研究组织发表新闻稿正式宣布,先前探测到的新粒子暂时被确认是希格斯玻色子,具有零自旋与偶宇称,这是希格斯玻色子应该具有的两种基本性质。

这也是第一个被发现的基本标量粒子(自旋为0)。以下列出几个检试这125GeV粒子是否为希格斯子的实验项目:

• 玻色子:只有玻色子才能够衰变为两个光子。从实验已观常到这125GeV粒子能够衰变为两个光子,因此,这粒子是玻色子。

• 零自旋:这可以从检验衰变模式证实。在初始发现之时,观察到125GeV粒子衰变为两个光子,根据对称性定律,可以排除自旋为1,剩下两个候选自旋为0或2。这决定于衰变产物的运动轨道是否有嗜好方向,假若没有,则自旋为0,否则,自旋为2。2013年3月,125GeV粒子的自旋正式确认为0。

• 偶宇称(正宇称):从研究衰变产物运动轨道的角度,可以查得到底是偶宇称还是奇宇称。有些理论主张,可能存在有膺标量(pseudoscalar)希格斯子,这种粒子拥有奇宇称。2013年3月,125GeV粒子的宇称暂时确认为正宇称。排除零自旋奇宇称假说,置信水平超过99.9%。

希格斯玻色子是因物理学者彼得•希格斯而命名。他是于1964年提出希格斯机制的六位物理学者中的一位。2013年10月8日,因为“次原子粒子质量的生成机制理论,促进了人类对这方面的理解,并且最近由欧洲核子研究组织属下大型强子对撞机的超环面仪器及紧凑μ子线圈探测器发现的基本粒子证实”,弗朗索瓦•恩格勒、彼得•希格斯荣获2013年诺贝尔物理学奖。

在b夸克的大海中捞针

希格斯机制,解决了弱矢量玻色子(W和Z)在理论上似乎不可能具有质量的难题。2012年发现希格斯玻色子是通过其衰变成光子实现的,Z玻色子和正负W玻色子也是标准模型建立在此机制上的胜利。希格斯场同样能够以一种优雅的方式为带电费米子(夸克和轻子)获得质量,严格按照和粒子质量成正比的所谓“汤川耦合”相互作用而实现的。2018年,观察到希格斯玻色子衰变成轻子τ,提供了这种类型相互作用的第一个直接证据。

标准模型已对希子的衰变模式给出详细预测。LHC已于2013年观察到双光子道等,证实希格斯场可以与玻色子相互作用。LHC又于2014年观察到其它两种模式,证实希格斯场可以与费米子相互作用。这意味着希子不只是衰变至传递作用力的玻色子,它还衰变至组成物质的费米子。

发现希格斯粒子六年之后,ATLAS探测器已经观察到按照标准模型预言的那样进行衰变的希格斯玻色子的30%。然而,希格斯玻色子到底夸克对的衰变(H→bb),有望用来解释所有可能衰变中几乎60%的衰变。观察到这个衰变模式并且对其比例的测量,是证实(或者否定)费米子通过标准模型预言的汤川相互作用产生质量必须的步骤。

非常少有的H→γγ这样的衰变模式在发现希格斯粒子时就已经找到,而大量存在的H→bb衰变,为什么还花费6年这么长的时间才实现这次观察?主要原因在于:在质子-质子相互作用中希格斯玻色子的大量生产过程,只导致一对来自b夸克碎片的粒子射流(b-jets),它们跟来自强相互作用(量子色动力学或QCD)生产的b-夸克对形成的绝对优势本底几乎不可能区分开。为了克服这一挑战,必须去考虑QCD中不存在的,量虽然少但是特征明显的生产过程,其中最有效的是能够把希格斯子的生产跟矢量玻色子W或者Z联系起来的那些。轻子衰变W→lv、Z→ll、Z→vv(其中l 代表电子或者μ子)就能够提供这样的信号,允许有效触发又能大大降低QCD本底。

然而,希格斯玻色子信号遗留的数量级小于从顶夸克或者矢量玻色子生产的遗留本底引起的相似特征,比如,一个顶夸克对能够衰变为tt→[(W→lv)b][(W→qq)b],末态包含一个电子或者一个缪子和两个b夸克,跟(W→lv)(H→bb)信号完全一样。

从这样的本底区分出信号的障碍在于不变的质量,这种质量分布的例子如图5所示,其中信号和相应的本底差距用数据显示出来。

捕捉“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5:在(W→lv)(H→bb)探索通道里的质量分布,信号用红色表示,不同的本底用其他不同颜色表示,数据表示为有误差棒的点。
来源:ATLAS 小组/CERN

当所有的WH和ZH衰变道联合起来并且从数据减去本底(除去WZ和ZZ生产),分布情况由图6所示,显示出从Z玻色子衰变成b-夸克对清晰尖峰,表明分析过程有效,上边的肩部在形状和比列上都和希格斯玻色子生产的预言一致。

捕捉“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6:质量的分布源自于探索通道的结合,其中减去除了WZ和ZZ生产之外的所有本底,数据(有误差棒的点)相比于WZ和ZZ生产(灰色)和WH和ZH(红色)的期望。
来源:ATLAS 小组/CERN

新的乌云

美国物理学家、1988年诺贝尔物理学奖获得者利昂•莱德曼曾著有粒子物理方面的科普书籍《上帝粒子:如果宇宙是答案,那么问题是什么?》,后来媒体也沿用了这一称呼,常常将希格斯子称作是“上帝粒子”(The GodParticle)。

一直到今天,希格斯玻色子被发现,走了近100年,我们才发现,物理学大门还没有完全打开。希格斯粒子被发现,足以证明人类是多么了不起的生灵。预言的衰变机制被观测到进一步支持了摸准模型。所以引力波和希格斯玻色子的发现,绝对称的上是划时代的发现。对于我们探索宇宙的本质有极大的帮助。希格斯玻色子对于标准模型是如此的重要,原因是它的存在证明了希格斯场。其他粒子在希格斯玻色子作用下产生质量,为宇宙形成奠定基础。

而涉及到质量,我们必然会考虑引力。也就是希格斯场与引力有什么关系?但关于希格斯机制,关于强,弱,电三种力统一的根本性问题,我们还不知道。还有引力也还孤立在这个规范场论之外。

100多年前,开尔文爵士宣称物理大厦已经落成,所剩只是一些修修补补的工作,但它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了。一是迈克尔逊莫雷实验(“以太”与光行差的矛盾),一是黑体辐射与"紫外灾难"。两朵乌云中分别诞生了“相对论”和“量子论”。

就像19世纪末的经典物理学一样,与标准模型的成功不相称的是,它预测中微子应该是没有质量的,而中微子震荡表明应该有质量。标准模型也无法描述暗物质的存在,暗能量是个什么东西。

这些“乌云”会让我们从背后找到新的大一统理论的答案吗?值得期待和思考。

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图7 引力剧场——后发座星系团
来源:哈勃

参考文献

【1】Long-sought decay of Higgs boson observed,CERN

【2】见微知著,灵遁者

【3】2015 年诺贝尔物理学奖「中微子振荡」具体是在研究什么?,知乎

【4】希格斯粒子为什么重要?,知乎

【5】天体物理导论,北京大学出版社

【6】终于观察到希格斯玻色子的底夸克(bb ̅)衰变方式!,物理学简报译文

【7】我们怎么知道宇宙中存在暗物质与暗能量?,科普中国

【8】希格斯玻色子,百度百科

【8】粒子天体物理,中国科学技术大学出版社

【9】相对论百问,北京师范大学出版社

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