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在所有被發(fā)現(xiàn)的基本粒子中，頂夸克和希格斯玻色子可能是我們更深刻的理解自然定律的最佳賭注。這是因?yàn)樵诹Ｗ觿?dòng)物園中，這兩種粒子都非常地獨(dú)特。

頂夸克是六種夸克中的一種，它和構(gòu)成普通物質(zhì)的上夸克類似，但質(zhì)量卻高出了約7.5萬倍——質(zhì)量接近鎢核，是已知最重的基本粒子。1995年，科學(xué)家在美國(guó)芝加哥西部的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室中，發(fā)現(xiàn)了頂夸克的蹤跡。另一方面，希格斯玻色子是迄今為止觀測(cè)到的唯一沒有自旋固有性質(zhì)的基本粒子。這個(gè)屬性對(duì)于希格斯玻色子在標(biāo)準(zhǔn)模型中的作用至關(guān)重要，它與賦予基本粒子質(zhì)量的機(jī)制相聯(lián)系。雖然早在1964年物理學(xué)家就在理論上預(yù)言了它的存在，但直到2012才被發(fā)現(xiàn)。

兩天前（****），在歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）進(jìn)行的兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)（CMS 和 ATLAS）宣布了他們的最新發(fā)現(xiàn)，在篩選了大約10^15次的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞后，科學(xué)家確認(rèn)了一些希格斯玻色子與頂夸克/反頂夸克對(duì)同時(shí)產(chǎn)生的事件。這是科學(xué)家首次測(cè)量到希格斯玻色子和頂夸克之間的直接相互作用。（對(duì)頂夸克和希格斯玻色子間的耦合的直接測(cè)量是對(duì)粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型的基本檢驗(yàn)。）

在首次發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的六年后，物理學(xué)家仍不斷地在實(shí)驗(yàn)中對(duì)它的性質(zhì)進(jìn)行研究。希格斯玻色子是由希格斯場(chǎng)所激發(fā)出來的。希格斯場(chǎng)彌漫在時(shí)空之中，并與像電子和夸克這樣的基本粒子相互作用，從而賦予它們以質(zhì)量。但是導(dǎo)致時(shí)空之中充滿了希格斯場(chǎng)的微觀機(jī)制依然是一個(gè)謎題。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，希格斯場(chǎng)是由某種基本粒子的相互作用引起的，類似于金屬中電子間的配對(duì)相互作用導(dǎo)致出現(xiàn)的超導(dǎo)性。與這一觀點(diǎn)相關(guān)的一些理論依賴于希格斯玻色子和頂夸克之間的相互作用，因此測(cè)量它們之間相互作用的強(qiáng)度能讓我們得以驗(yàn)證這些模型。

頂夸克和希格斯玻色子相互作用的強(qiáng)度（后面簡(jiǎn)稱“頂-希格斯作用強(qiáng)度”）也是弱相互作用理論中所謂的精細(xì)調(diào)節(jié)難題的基礎(chǔ)。如果考慮到量子修正的話，這個(gè)謎題與希格斯玻色子的實(shí)際質(zhì)量和它的預(yù)期值之間的差異有關(guān)。找到與期望值不同的頂-希格斯作用強(qiáng)度，或許可以為解決這種差異提供線索。

由于頂夸克的質(zhì)量非常巨大，因此物理學(xué)家預(yù)期它與希格斯玻色子間的相互作用要比其它夸克更加強(qiáng)烈。測(cè)量相互作用強(qiáng)度的方法有許多種，但這次實(shí)驗(yàn)采取的途徑被認(rèn)為是“最干凈的”，他們尋找的是在質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞中產(chǎn)生希格斯玻色子(H)、及頂夸克(t)和反頂夸克(t?)的過程，即所謂的tt?H 過程。通過測(cè)量這個(gè)過程的產(chǎn)生率，就能直接得出頂-希格斯作用的強(qiáng)度。長(zhǎng)久以來，理論家一直希望通過研究這一過程來深入理解與希格斯相關(guān)的物理。

此次的測(cè)量是非常困難的。首先，tt?H過程相對(duì)罕見：只有不到千分之一的頂夸克對(duì)會(huì)伴隨著希格斯玻色子。其次，頂夸克和希格斯玻色子從來沒有被直接探測(cè)過，因?yàn)樗麄兊摹皦勖狈浅６?，?huì)迅速的衰變。因此，實(shí)驗(yàn)人員把目標(biāo)放在了尋找粒子的衰變產(chǎn)物——夸克、輕子和光子的組合，這些粒子必須被識(shí)別出來，并與以其他方式產(chǎn)生的相同粒子的“背景”區(qū)分開來。為了確信這些信號(hào)是對(duì)應(yīng)于tt?H過程的，研究人員分析了兩個(gè)頂夸克和希格斯玻色子可以衰變的多種方式。例如，其中一個(gè)分析尋找的是當(dāng)希格斯玻色子衰變?yōu)橐粚?duì)底夸克，以及頂夸克對(duì)衰變產(chǎn)生至少一個(gè)電子或μ子的過程。研究人員依靠現(xiàn)代機(jī)器學(xué)習(xí)工具和更傳統(tǒng)的方法將信號(hào)與背景區(qū)分。

此次的測(cè)量雖然證實(shí)了頂-希格斯作用強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的近似，但另一個(gè)關(guān)鍵部分依舊沒有被完全約束：希格斯玻色子與自身的相互作用。這種相互作用的強(qiáng)度可以為研究電弱相變的性質(zhì)提供重要線索。電弱相變是指在非常早期宇宙中，希格斯場(chǎng)獲得非零值以及W和Z玻色子的質(zhì)量變得巨大的時(shí)候。但目前LHC所能達(dá)到的能量還無法確定這種相互作用，因?yàn)檫@要求在對(duì)撞中以更高的速率產(chǎn)生多個(gè)希格斯玻色子。只有1TeV的輕子對(duì)撞機(jī)或者100-TeV的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)中才允許研究人員產(chǎn)生誤差小于10% 的希格斯玻色子的自我相互作用，只有在這個(gè)精確度上才足以區(qū)分不同的電弱相變模型。

有了這種能量等級(jí)的對(duì)撞機(jī)，測(cè)量tt?H過程的不確定性也能減被少到約1%?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)知道希格斯玻色子的存在，并且知道它大致地符合標(biāo)準(zhǔn)模型的描述，物理學(xué)家已經(jīng)迫不及待的想要探索更多與它相關(guān)的信息?；蛟S，未來對(duì)希格斯玻色子如何與已知粒子的相互作用的更深入理解，也將打開一扇通往超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理的大門。

博科園-科學(xué)科普｜文：Zwicky｜來自：原理/principia1687