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希格斯玻色子罕见的衰变可能指向超出标准模型的物理学
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希格斯玻色子罕见的衰变可能指向超出标准模型的物理学
诸平
据物理学家组织网（phys.org）2024年1月25日报道，希格斯玻色子罕见的衰变可能指向超出标准模型的物理学（Rare decay of the Higgs boson may point to physics beyond the Standard Model）。粒子物理学家首次探测到希格斯玻色子（Higgs boson）的一种新型衰变，揭示了标准模型预测中的一个细微差异，并可能指向超越标准模型的新物理学。相关研究结果于2024年1月11日已经在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志网站发表——G. Aad et al（ATLAS Collaboration, CMS Collaboration）. Evidence for the Higgs Boson Decay to a Z Boson and a Photon at the LHC. Physical Review Letters, 2024, 132, 021803. DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.021803. Published 11 January 2024. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.021803
参与此研究的是超环面仪器实验（ATLAS）和 紧凑缪子线圈实验（CMS）团队，研究人员来自澳大利亚（Australia）、加拿大（Canada）、土耳其（Türkiye）、法国（France）、美国（USA）、希腊（Greece）、阿塞拜疆（Azerbaijan）、西班牙（Spain）、中国（China）、塞尔维亚（Serbia）、挪威（Norway）、德国（Germany）、瑞士（Switzerland）、英国（United Kingdom）、哥伦比亚（Colombia）、意大利（Italy）、罗马尼亚（Romania）、斯洛伐克（Slovak Republic）、阿根廷（Argentina）、南非（South Africa）、菲律宾（Philippines）、摩洛哥（Morocco）、丹麦（Denmark）、瑞典（Sweden）、奥地利（Austria）、巴西（Brazil）、日本（Japan）、波兰（Poland）、斯洛文尼亚（Slovenia）、荷兰（Netherlands）、阿联酋（United Arab Emirates）、捷克（Czech Republic）、葡萄牙（Portugal）、智利（Chile）、格鲁吉亚（Georgia）、以色列（Israel）等国。
希格斯玻色子（Higgs boson）自20世纪60年代就被理论上预测，最终于2012年在欧洲核子研究中心(CERN)实验室被探测到。作为一个量子场（quantum field），它渗透到所有的空间，其他粒子通过它运动，通过它们与希格斯场的相互作用获得质量，希格斯场可以粗略地想象为对它们运动的一种阻力。希格斯玻色子的许多特性，包括它如何与其他粒子及其相关场相互作用，已经被测量出来，与标准模型的预测一致。
但有一种希格斯衰变模式（Higgs decay mode）尚未被研究，那就是理论预测希格斯玻色子偶尔会衰变并产生光子和Z玻色子(Z boson)。Z玻色子是一种不带电的粒子，与两个W玻色子（W boson）一起传递弱力（weak force）。
来自欧洲核子研究中心ATLAS和CMS合作（ATLAS and CMS collaborations at CERN）的科学家使用了2015年至2018年从二期运行中获取的质子-质子碰撞（proton-proton collisions）数据，以寻找这种特殊的Z+光子希格斯衰变（Z+photon Higgs decay）。欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(Large Hadron Collider简称LHC)是位于瑞士日内瓦附近的高能粒子加速器，它使质子以相反的方向循环，同时使它们在特定的探测器点碰撞，每秒数百万次。
在这次运行中，两个质子碰撞的能量为13兆电子伏特（13 trillion electron-volts），略低于机器目前的最大能量，以更相关的单位计算，它是2.1微焦耳（2.1 microjoules）。这大约是一只普通蚊子，或者一粒盐，每秒移动一米的动能。
理论预测，每10000次衰变中大约有15次，希格斯玻色子会衰变成一个Z玻色子和一个光子，这是标准模型中最罕见的衰变。它首先产生一对顶夸克，或者一对W玻色子，然后它们自己衰变为Z玻色子和光子。
由9000多名科学家参与的ATLAS/CMS合作项目发现了一个“分支比率”（"branching ratio"），即每10000次衰变中有34次衰变，±11×10-4，是理论值的2.2倍。
测量的份数太大了，比理论值高出3.4个标准差，这个数字仍然太小，不能排除统计上的侥幸。尽管如此，相对较大的差异暗示着理论可能存在有意义的差异，这可能是由于标准模型之外的物理现象造成的，这些新粒子是顶夸克和W玻色子以外的中介。
超越标准模型的物理学的一种可能性是超对称（supersymmetry），该理论假定半自旋粒子(费米子)和整数自旋粒子(玻色子)之间存在对称关系，每个已知粒子都有一个自旋差为半整数的伙伴。许多理论物理学家（theoretical physicists）长期以来都是超对称理论的支持者，因为它可以解决困扰标准模型的许多难题，比如弱力和引力的强度之间的巨大差异(1024)，或者为什么希格斯玻色子的质量约为125 GeV，远远小于大统一能量尺度约为1016 GeV。
在实验中，大质量的Z玻色子大约在3×10-25秒内衰减，远远早于它到达探测器。因此，实验人员通过观察Z衰变产生的两个电子或两个μ子的能量来补偿，要求它们的总质量大于50 GeV，这是91 GeV Z玻色子质量的一个重要部分。
“这是与CMS合作（CMS collaboration）获得的非常好的结果。根据标准模型的预测，这是最罕见的希格斯玻色子的最终状态，我们已经看到了第一个证据，”ATLAS合作（ATLAS collaboration）的发言人安德烈亚斯·霍克（Andreas Hoecker）说。
“这种衰变是通过量子环（quantum loops）发生的，因此对新物理学很敏感，与2012年ATLAS和CMS发现希格斯玻色子的双光子衰变（two-photon decay）类似，但不完全相同。
CMS合作项目的莫妮卡·邓福德（Monica Dunford of the CMS collaboration）补充说：“这个结果令人印象深刻，有几个原因。我们在实验上能够如此精确地测量这些非常罕见的过程。它们是对标准模型和其他可能理论的有力检验。”
莫妮卡·邓福德补充说，这些小组在CERN的 3期运行期间获得了新的数据，该运行始于2022年7月，总能量为13.6 TeV。更多的数据将来自高亮度大型强子对撞机（High Luminosity Large Hadron Collider简称HL-LHC），它每秒将提供大约五倍多的质子-质子碰撞。HL-LHC预计将于2028年投入使用。
莫妮卡·邓福德说:“这些结果预示着我们将继续取得的成就。”
上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。
The first evidence for the Higgs boson decay to a Z boson and a photon is presented, with a statistical significance of 3.4 standard deviations. The result is derived from a combined analysis of the searches performed by the ATLAS and CMS Collaborations with proton-proton collision datasets collected at the CERN Large Hadron Collider (LHC) from 2015 to 2018. These correspond to integrated luminosities of around 140 fb−1 for each experiment, at a center-of-mass energy of 13 TeV. The measured signal yield is 2.2 ± 0.7 times the standard model prediction, and agrees with the theoretical expectation within 1.9 standard deviations.
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