世界上最强大的粒子加速器探测到了一对完美“CP”

在所有被发现的基本粒子中，顶夸克和希格斯玻色子可能是我们更深刻的理解自然定律的最佳赌注。这是因为在粒子动物园中，这两种粒子都非常地独特。

▲ 由于顶夸克（t）的质量很大，因此它和希格斯玻色子（H）之间的耦合应该很强。已知的夸克共有六种，但只有上(u)、下(d)夸克是稳定的，它们构成了质子和中子。其它四种都是不稳定的，只能在大型粒子加速器中被创造出来。| 图片来源：IFIC

顶夸克是六种夸克中的一种，它和构成普通物质的上夸克类似，但质量却高出了约7.5万倍——质量接近钨核，是已知最重的基本粒子。1995年，科学家在美国芝加哥西部的费米实验室中，发现了顶夸克的踪迹。

另一方面，希格斯玻色子是迄今为止观测到的唯一没有自旋固有性质的基本粒子。这个属性对于希格斯玻色子在标准模型中的作用至关重要，它与赋予基本粒子质量的机制相联系。虽然早在1964年物理学家就在理论上预言了它的存在，但直到2012才被发现。

两天前（6月4日），在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）进行的两项实验（CMS 和 ATLAS）宣布了他们的最新发现，在筛选了大约10^15次的质子-质子对撞后，科学家确认了一些希格斯玻色子与顶夸克/反顶夸克对同时产生的事件。这是科学家首次测量到希格斯玻色子和顶夸克之间的直接相互作用。（对顶夸克和希格斯玻色子间的耦合的直接测量是对粒子物理学的标准模型的基本检验。）

▲ LHC中的CMS和ATLAS实验。在实验中，科学家会将两束质子加速到接近光速再进行对撞，以产生各种不同的粒子。| 图片来源：CERN

在首次发现希格斯玻色子的六年后，物理学家仍不断地在实验中对它的性质进行研究。希格斯玻色子是由希格斯场所激发出来的。希格斯场弥漫在时空之中，并与像电子和夸克这样的基本粒子相互作用，从而赋予它们以质量。但是导致时空之中充满了希格斯场的微观机制依然是一个谜题。一种观点认为，希格斯场是由某种基本粒子的相互作用引起的，类似于金属中电子间的配对相互作用导致出现的超导性。与这一观点相关的一些理论依赖于希格斯玻色子和顶夸克之间的相互作用，因此测量它们之间相互作用的强度能让我们得以验证这些模型。

顶夸克和希格斯玻色子相互作用的强度（后面简称“顶-希格斯作用强度”）也是弱相互作用理论中所谓的精细调节难题的基础。如果考虑到量子修正的话，这个谜题与希格斯玻色子的实际质量和它的预期值之间的差异有关。找到与期望值不同的顶-希格斯作用强度，或许可以为解决这种差异提供线索。

由于顶夸克的质量非常巨大，因此物理学家预期它与希格斯玻色子间的相互作用要比其它夸克更加强烈。测量相互作用强度的方法有许多种，但这次实验采取的途径被认为是“最干净的”，他们寻找的是在质子-质子对撞中产生希格斯玻色子(H)、及顶夸克(t)和反顶夸克(t)的过程，即所谓的 ttH 过程。通过测量这个过程的产生率，就能直接得出顶-希格斯作用的强度。长久以来，理论家一直希望通过研究这一过程来深入理解与希格斯相关的物理。希格斯场无处不在，基本粒子通过与它作用获得质量。但事实上，故事要远比这个复杂，仍有一些谜题还未得到解答，比如为什么希格斯玻色子的质量是现在这个值？又是为什么有希格斯场呢？

此次的测量是非常困难的。首先，ttH过程相对罕见：只有不到千分之一的顶夸克对会伴随着希格斯玻色子。其次，顶夸克和希格斯玻色子从来没有被直接探测过，因为他们的“寿命”非常短，会迅速的衰变。因此，实验人员把目标放在了寻找粒子的衰变产物——夸克、轻子和光子的组合，这些粒子必须被识别出来，并与以其他方式产生的相同粒子的“背景”区分开来。为了确信这些信号是对应于ttH过程的，研究人员分析了两个顶夸克和希格斯玻色子可以衰变的多种方式。例如，其中一个分析寻找的是当希格斯玻色子衰变为一对底夸克，以及顶夸克对衰变产生至少一个电子或μ子的过程。研究人员依靠现代机器学习工具和更传统的方法将信号与背景区分。

▲通过分析在质子-质子对撞中产生的希格斯玻色子和一对顶夸克的产生率，就可以确定顶-希格斯作用强度。由于顶夸克和希格斯玻色子的质量如此之大，一个ttH事件可以产生所有LHC可以探测到的各种类型的粒子。| 图片来源：CERN/CMS

此次的测量虽然证实了顶-希格斯作用强度与标准模型预测的近似，但另一个关键部分依旧没有被完全约束：希格斯玻色子与自身的相互作用。这种相互作用的强度可以为研究电弱相变的性质提供重要线索。电弱相变是指在非常早期宇宙中，希格斯场获得非零值以及W和Z玻色子的质量变得巨大的时候。但目前LHC所能达到的能量还无法确定这种相互作用，因为这要求在对撞中以更高的速率产生多个希格斯玻色子。只有1TeV的轻子对撞机或者100-TeV的质子-质子对撞机中才允许研究人员产生误差小于10% 的希格斯玻色子的自我相互作用，只有在这个精确度上才足以区分不同的电弱相变模型。有了这种能量等级的对撞机，测量ttH过程的不确定性也能减被少到约1%。

现在，我们已经知道希格斯玻色子的存在，并且知道它大致地符合标准模型的描述，物理学家已经迫不及待的想要探索更多与它相关的信息。或许，未来对希格斯玻色子如何与已知粒子的相互作用的更深入理解，也将打开一扇通往超越标准模型的新物理的大门。

编辑：金婉霞

责任编辑：姜澎

*文章转载自微信公众号“中科院物理所”。