• 克雷西 發(fā)自 凹非寺
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粒子是如何獲得質(zhì)量的？人們對這個問題有更深入的理解了。

歐洲核子研究中心ATLAS團隊的科學家，發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子衰變?yōu)棣套拥挠辛ψC據(jù)。

與此同時，ATLAS團隊還提升了對希格斯玻色子衰變?yōu)閆玻色子和光子過程的探測靈敏度。

據(jù)介紹，ATLAS團隊的這兩項成果難度如同大海撈針。

而之所以能夠取得成功，主要歸功于大型強子對撞機（LHC）提供的大量數(shù)據(jù)。

在統(tǒng)計學上，ATLAS團隊的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)初步露出了可能偏離標準模型預言的跡象。

Science Daily評價稱，這兩項發(fā)現(xiàn)或許能揭示超越標準模型的物理規(guī)律。

發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子衰變?yōu)棣套幼C據(jù)

ATLAS的實驗，目的就是回答“希格斯相互作用與標準模型描述的是否一致，并且是所有基本粒子質(zhì)量的唯一來源”等根本性問題，H→μμ衰變是驗證這些理論預測的關鍵一環(huán)。

H→μμ衰變（希格斯玻色子衰變?yōu)橐粚Ζ套樱┦且环N極其罕見的物理過程，大約每5000次希格斯衰變中才發(fā)生1次。

盡管其稀有，但它提供了研究希格斯玻色子與第二代費米子相互作用的最佳機會，對于闡明不同代粒子質(zhì)量起源至關重要。

當然，鑒別這種罕見衰變是一項巨大的挑戰(zhàn)，因為它的信號很容易被通過其他過程產(chǎn)生的數(shù)千對μ子（即“背景”）所掩蓋。

為解決這個問題，ATLAS實驗利用了LHC不同運行階段收集的數(shù)據(jù)，包括前三年Run-3數(shù)據(jù)與全部Run-2數(shù)據(jù)集。

他們還開發(fā)了復雜的背景過程建模方法，根據(jù)特定的希格斯玻色子產(chǎn)生模式對記錄事件進行分類，并進一步改進了事件選擇技術，以最大限度地發(fā)現(xiàn)真實信號。

通過結合Run-2和Run-3數(shù)據(jù)集，ATLAS已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了H→μμ衰變的證據(jù)，其相對于純背景假設的觀測顯著性達到3.4個標準差。

這意味著該結果是統(tǒng)計波動的可能性低于三千分之一。

（標準差即方差的算術平方根，該情境下用標準差的倍數(shù)能夠更準確地反數(shù)據(jù)偏離平均值的程度）

H→Zγ衰變則是希格斯玻色子衰變?yōu)閆玻色子和光子的過程，其中Z玻色子會進一步衰變?yōu)殡娮訉颚套訉Α?/p>

這同樣是一個稀有衰變，通過虛擬粒子的“中間環(huán)”進行，如果新的粒子對這個環(huán)做出貢獻，則這個過程可能提供超越標準模型物理的線索。

與H→μμ衰變類似，識別H→Zγ衰變是一項巨大的挑戰(zhàn)，主要的困難在于Z玻色子僅在大約6%的時間內(nèi)衰變?yōu)榭商綔y的輕子，這大大降低了其信號的可觀測性。

與此同時，LHC Run 3的復雜運行條件進一步加劇了挑戰(zhàn)，包括更多的重疊碰撞（pile-up），這使得粒子噴注更容易模擬真實光子，從而增加了識別H→Zγ信號的難度。

同樣是結合Run-2和Run-3數(shù)據(jù)集，以及建模方法和事件分類手段，ATLAS解決了這些難題。

最新的ATLAS結果報告了相對于純背景假設的觀測過剩為2.5個標準差，這一結果提供了迄今為止測量H→Zγ衰變分支比的最嚴格預期靈敏度。

了解完ATLAS取得的最新成果，接下來補充介紹一些背景知識。

什么是希格斯玻色子？

不妨就從這次成果的主角希格斯玻色子說起。

希格斯玻色子又名“上帝粒子”，由諾貝爾物理學獎得主彼得·希格斯提出。

它是粒子物理學標準模型預言的一種自旋為零的玻色子，不帶電荷、色荷，極不穩(wěn)定，生成后會立刻衰變。

“上帝粒子”這個名字的來歷也頗具戲劇性，美國物理學家Leon Lederman在1993年與科普作家Dick Teresi合著的科普書當中本想用“God-damn Particle”（該死的粒子）來稱呼希格斯玻色子，來吐槽其難以被實驗捕獲。

但出版社擔心這個詞帶有粗俗意味，會影響市場推廣，于是把書名改成了更吸睛也更具話題性的 “God Particle”。由此，“上帝粒子”便流傳開來。

2012年6月22日，歐洲核子研究組織發(fā)表聲明，將要召開專題討論會與新聞發(fā)布會。

7月4日，發(fā)布會正式宣布發(fā)現(xiàn)了新粒子，物理學者認為這兩個粒子可能就是希格斯玻色子。

直到2013年3月14日，該組織發(fā)布新聞稿表示，先前探測到的新粒子正是希格斯玻色子。

回到概念上來，希格斯玻色子是希格斯場（1964年提出）的振動。

希格斯場是一種假定遍布于全宇宙的量子場。按照標準模型的希格斯機制，某些基本粒子因為與希格斯場之間相互作用而獲得質(zhì)量。

在標準模型里，W玻色子與Z玻色子通過在希格斯場中應用希格斯機制而獲得質(zhì)量，費米子借著應用希格斯機制于希格斯場與費米子場的湯川耦合而獲得質(zhì)量。只有希格斯玻色子不倚賴希格斯機制獲得質(zhì)量。

那么，標準模型又是什么呢？

標準模型是粒子物理學中一套描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子的理論。

其中包含費米子及玻色子：費米子為擁有半奇數(shù)的自旋并遵守泡利不相容原理（沒有相同的費米子能占有同樣的量子態(tài)）的粒子；玻色子則擁有整數(shù)自旋而并不遵守泡利不相容原理。

△圖作者：Yinweichen（CC BY-SA 4.0）

它們通過四類玻色子來傳遞相互作用，光子負責電磁相互作用，W與Z玻色子負責弱相互作用，膠子負責強相互作用，而希格斯玻色子則通過自發(fā)對稱性破缺機制賦予其他粒子質(zhì)量。

不過，ATLAS這次的最新發(fā)現(xiàn)，已在統(tǒng)計上初步露出了可能偏離標準模型預言的跡象。

未來，ATLAS還將繼續(xù)探索超越標準模型的新物理規(guī)律。

[1]https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250825015657.htm
[2]https://indico.in2p3.fr/event/33627/contributions/153132/