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寿命有多长、种类有多少……希格斯玻色子仍有五大未解之谜

发布时间:2022-07-13 09:18:07  |  来源:科技日报  |  作者:刘 霞  |  责任编辑:孙新

2012年7月4日,欧洲核子研究中心(CERN)的物理学家宣布,他们发现了已追寻48年之久的希格斯玻色子,填补了粒子物理标准模型中的最后一个空白,并打开了物理学的新窗口。科学家们认为,正是这种“神秘粒子”赋予其他粒子质量。


自其“现身”以来,希格斯玻色子令无数科学家趋之若鹜去研究其特性,参与全球最大粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)实验的科学家迄今已发表了近350篇相关论文。目前,科学家们已知希格斯玻色子的质量为1250亿电子伏、自旋为零且与其他粒子相互作用。尽管如此,该粒子仍有很多未解之谜。


在发现希格斯玻色子十周年之际,英国《自然》杂志网站在报道中提出了科学家们希望揭示的有关该粒子的五大秘密。


能否更精确地测量?


到目前为止,希格斯玻色子的性质,例如其相互作用强度与标准模型的预测基本匹配,不确定性约为10%。德国电子同步辐射加速器(DESY)粒子物理学家弗雷亚·布莱克曼表示,这还不足以让其将标准模型与一些新物理理论区别开来。


更多数据将提高这些测量的精度,LHC目前只收集了预期能收集信息总量的1/20。阿根廷圣马丁国立大学理论物理学家丹尼尔·德弗洛里安说,在更精确的研究中,更有可能看到新物理现象的“蛛丝马迹”,而非直接观察到新粒子。“在未来十年甚至更长时间里,我们的主要工作是提高测量希格斯玻色子性质的精确度”。


是否与更轻的粒子相互作用?


希格斯玻色子的相互作用似乎符合标准模型,但物理学家已经看到它只衰减为最重的物质粒子,如底夸克。


物理学家现在想弄清楚它是否会以同样的方式与来自较轻家族的粒子相互作用。2020年,在LHC上运行的超环面仪器实验(ATLAS)和紧凑缪子线圈(CMS)两个实验看到了这样一种相互作用:希格斯玻色子罕见地衰变为双缪子。缪子是宇宙中的一种基本粒子,大约是电子质量的200倍。电子被列为第一代粒子,而缪子是第二代粒子。


希格斯粒子衰变为双缪子是一种稀有现象,大约每5000个希格斯粒子中会有一个衰变为双缪子。这是实验室首次看到希格斯粒子和第二代粒子的相互作用,对于理解物质的基本相互作用有重要意义。尽管如此,还需要更多数据来证实希格斯玻色子与较轻粒子之间的相互作用。


是否存在自相互作用?


希格斯玻色子拥有质量,因此它应该与自身相互作用,这是其赋予自身质量的方式。


但是,这种相互作用,如一个高能希格斯玻色子衰变为两个低能希格斯玻色子极其罕见,因为所有涉及的粒子都很重。


研究人员表示,希格斯玻色子与自身相互作用的可能性对于理解宇宙至关重要。自相互作用的概率取决于希格斯场势能如何在其最小值附近变化,这描述了大爆炸之后的情况。因此,了解希格斯自相互作用可帮助科学家了解早期宇宙的动力学。


意大利帕多瓦大学理论物理学家雷蒙娜·格雷伯指出,许多试图解释物质如何以某种方式变得比反物质更丰富的理论都需要希格斯粒子自相互作用,而其自相互作用与标准模型的预测相差高达30%,因此,弄清楚这一点至关重要。


寿命有多长?


物理学家想知道希格斯粒子的寿命有多长——也就是其在衰变为其他粒子之前,能“存在”多长时间,因为任何与预测不一致的偏差都可能指向与未知粒子的相互作用,例如构成暗物质的粒子。但希格斯玻色子的寿命太短,无法直接测量。


为间接测量这一性质,物理学家观察粒子的质量宽度,这一性质与寿命成反比,代表了粒子标称质量1250亿电子伏特附近的可能质量的较小范围。去年,CMS物理学家借用此方法,首次粗略测量了希格斯粒子的寿命为2.1×10-22秒,这是迄今最精确的希格斯玻色子寿命的测量值。尽管精度仍有限,但它实际上和标准模型的预测非常吻合,说明该粒子应该确实具有非常短的寿命。


是否为基本粒子?


一些对标准模型进行扩展的理论预测,希格斯玻色子不是基本粒子,而是像质子一样由其他粒子组成。也有科学家预测,存在多种希格斯玻色子,它们的行为相似但并不完全相同,除了深入研究希格斯玻色子是否是标准模型粒子外,LHC上的实验还将寻找理论预测的其他希格斯玻色子的踪迹。


据CERN官网报道,经过3年多的维修和升级,LHC已于7月5日正式开始第三轮运行。第三轮运行期间记录的碰撞次数将超过前两轮的总和,这将使科学家能够收集到更高质量的数据,以前所未有的精确度和新渠道详细研究希格斯玻色子的性质。


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