科學家發現罕見希格斯玻色子衰變的首個證據

這項工作為科學家們很久以前的預測提供了證據。

科學家們發現了罕見希格斯玻色子衰變的首個證據，我們對奇怪的量子宇宙的理解進一步加深了。

2012年，諾貝爾物理學獎被授予一項突破性發現：希格斯玻色子的探測發現，這種亞原子粒子早在近50年前就被物理學標準模型所預測到。它的壽命并不長，很快就會衰變成品質較小的粒子，比如兩個光子（光粒子）。

研究人員現在通過在瑞士歐洲核子研究組織的大型強子對撞機上的超環面儀器實驗（ATLAS）和緊湊繆子線圈實驗（CMS），發現了罕見希格斯玻色子衰變的證據。在這種情況下，該粒子衰變為一個光子和兩個輕子——一種或帶電或中性的基本粒子。（電子和μ子是帶電輕子的兩種例子，它們是相似的亞原子粒子類型）具體來說，他們發現希格斯玻色子存在不同的衰變可能性：衰變為一個光子和一對電子，或是一個光子和一對帶相反電荷的μ子。

利用標準模型，科學家們能夠預測希格斯玻色子可能衰變成的不同基本粒子，其中一個相當「常見」的衰變結果是變成兩個光子。他們還可以預估希格斯玻色子衰變為不同粒子組合的頻率，比如衰變為一個光子和兩個輕子的情況就特別稀少。

在這類衰變中，希格斯玻色子在其超短的生命之后，迅速衰變成一個光子和一個被科學家稱為「虛光子」的粒子。這種「虛光子」，也被稱為「離（品質）殼光子」，然后在這種情況下會立即變成類似兩個輕子的粒子。使用大型強子對撞機的超環面儀器實驗團隊的粒子物理學家詹姆斯·比徹姆告訴「太空網站」：「這種‘虛光子’具有非常小的非零品質，而普通光子是完全無品質的。」

在一項新的研究中，利用大型強子對撞機進行實驗的研究人員發現了罕見希格斯玻色子衰變的首個證據。 （圖片來源：歐洲核子研究組織）

這兩個輕子「幾乎手牽手撞上了我們的量熱計」，比徹姆補充說。大型強子對撞機的量熱計是一種工具，用來攔截產自粒子碰撞的粒子。當這些粒子被該工具攔截或「吸收」 時，科學家們就可以發現并研究這些粒子。

雖然科學家們推測希格斯玻色子應該存在這種類型的衰變，但這個新的探測結果是「希格斯玻色子這種非常罕見的衰變模式的第一個暗示證據」，比徹姆說。

然而，他補充說，他們團隊很可能無法直接觀察到這種少見的衰變，直到他們為即將到來的高亮度大型強子對撞機項目升級設施（這個新項目緊接著大型強子對撞機項目三期，同時這項研究使用的數據是在運行二期期間收集的，開始于2015年，結束于2018年）。

據信，超環面儀器實驗團隊的一份聲明：「在未來，隨著高亮度大型強子對撞機項目中可以預見的大量數據出現，研究少見的希格斯玻色子衰變或將成為新常態。」

通過研究像這樣少見的衰變，研究人員得以探索超越標準模型的新物理模型。比徹姆表示，標準模型解釋了關于當前物理宇宙的許多內容，但并不包括引力和暗物質。暗物質不發光，也無法直接觀察，被認為占已知宇宙中所有物質的80%左右，但科學家還不知道它到底是什麼。

「我們一直在尋找標準模型的外延，必須找到新的突破口以供我們進入暗物質的世界，并通過實驗探索它們。而這之中一個可能的入口就是希格斯玻色子。所謂‘暗物質世界’實際上包含了超出標準模型的物理學。」

現在還不能太興奮。「這篇論文并沒有給我們關于希格斯玻色子門戶進入‘暗物質世界’的新信息，」比徹姆說。但「它證明我們可以很巧妙地尋找像這樣非常少見的事物，」他說，這從整體上推動了搜索的進展。

這項工作在歐洲核子研究組織的大型強子對撞機公開研討會上提出，我們可以在歐洲核子研究中心的官方網站上找到它。歐洲核子研究組織發表的文件是會議說明，是超環面儀器實驗團隊的初步結果。