基础粒子,Higgsboson,如何在对撞机中“看到”

云伟聊科技 2023-06-30 15:32:06

希格斯(Higgs)玻色子(boson) 的产生始于1964年,三个研究小组共同研究了Higgs机理,并对某些基础粒子产生质量的原因进行了探讨。不过,要想证实Higgs机理的正确性,还得先观测Higgs场的量化性能,也就是所谓的“Higgs boson”。但是, Higgs boson的不稳定性使其难以被直接测量。科学家们仅能利用高能离子碰撞装置,制造出Higgs boson,并从它的反应结果中推测出它的本质。这就要求有很高的技术含量和很高的测量精度。在全球范围内,找到它一直都是一个梦想,也是一个挑战。近十年来,曾有人用各种设备做过许多试验,但均未取得成效。

这种新的粒子是怎样被找到的?首先,我们要了解 Higgsboson是如何发生和发生作用的。在 LHC上,两个快速移动的粒子光束相互碰撞,会造成非常高的热量和热量。在这样的碰撞中,只有极少的情况会出现Higgs boson。然而,Higgs boson极不稳定,很快就能转化为其它粒子。

每个响应型态都有一个特殊的比率,代表这种响应型态出现的机率。举例来说,Higgs boson反应产生两个光子的比例是0.2%,而分裂产生两个钨的比例是21%。

各种反应方式各有利弊。举例来说,有些反应模型更易于由检波器辨认,因为这些模型所生成的颗粒很清晰,很易被发现。比如,光子、轻子等对强场没有任何干扰,能直接抵达探测器,并在其轨道上留下明显的轨迹。但是,有些图案出现的可能性更大。

所以,在探测 Higgs boson信号时,必须结合各种响应模式的比例,信号噪声,本底压制等多种条件来选取最适合的信号传输路径。在2012年的研究中, CMS与 ATLAS的研究团队采用了四类解析传路,它们各有其优点与困难。H→π- gamma传输的优点在于两个粒子之间的能级、角都可以被准确地确定,因此我们可以用来重构Higgs boson的物质。不过,由于其它方法生成的两个光子,这种传输量仅为0.2%,并且有较高的背景噪音。所以,要找到这些讯号,就必须有很高的统计学意义。

在 H→ ZZ→4 l输运中,四重子(即 muon)也能被高精度的测量出来。此外,由于这种传导方式的本底噪音极低,所以这种传导方式也能产生十分清楚、明显的讯号。然而,这种传输路径非常微小,仅占百分之零点一,并且要求四种不同的轻子都能被检测器准确地鉴别并重构。

H→ WW传输的优点在于其所占比率很高,达到21%左右,并且 W粒子能被激发为轻子态和束流,因此能产生多种反应方式。然而,W-波色子到轻子的过程中,会产生一种不带电的中间体,这种中间体不带电,不参与强相互作用,且质量很小,与探测器的相互作用很小,因而不能被直接观测到。只有从失去的能量中才能推测出它们的存在性和特性。然而,也有可能由于其它因素的影响,比如仪器的影响,发射误差等。所以,这种传输方式要求对信息进行精密而精密的处理。

其中, H到 bb输运所占比重最大,达到58%左右,并且底部夸克也是目前发现的最大质量粒子,与Higgs场具有很强的偶联。然而,这种传输方式的困难在于,底部的夸克将会产生一个喷注,而这些喷注很容易被其它源所混淆。所以,该路径要求对底夸克注入与其它注入之间的区别进行有效而精确的注入识别。

截止到2012年6月4号, CMS与 ATLAS两个实验团队已采集到数千个以上的对撞数据,并完成了各种解析路径的统计与合并。他们在125-126 GeV之间找到了一个显著高于本底噪音等级的讯号,其统计意义大于5 Sigma。5 sigma表示该讯号十分可靠,其发生几率低于三百五十万分之一。此讯号在各种解析路径上显示得相当稳定,且符合Higgs boson所期望的特性。所以,他们宣称他们已经找到了一种新的微粒,而且被认为是Higgs boson。

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