首次觀測到頂夸克與希格斯粒子間的交互作用

■CERN的CMS與ATLAS實驗分別宣佈觀測到頂夸克與希格斯粒子之間的交互作用,也就是希格斯粒子與頂夸克對同時產生的現象。

(Image: Daniel Dominguez/CERN)

撰文|陳勁豪

希格斯粒子(Higgs particle)是粒子物理的標準模型中最後一個被發現的粒子。希格斯粒子在2012年由ATLAS與CMS分別發現後,物理學家終於可以對希格斯粒子進行各種測量,並將實驗結果與粒子物理的標準模型進行比對。根據標準模型,希格斯粒子賦予六種夸克質量。其中最引人注目的是希格斯粒子如何與六種夸克中最重的頂夸克(top quark)產生交互作用。

希格斯粒子的質量約為125GeV,而頂夸克的質量約為170GeV,若是單純從能量守恆的角度來看,希格斯粒子是無法產生頂夸克的。但是根據量子力學,希格斯粒子可以因為擾動而轉變成頂夸克對。因此研究頂夸克對與希格斯粒子同時出現的機率,可以協助物理學家了解頂夸克與希格斯粒子之間的耦合強度。

從實驗物理學家的角度,研究這個頂夸克對與希格斯粒子同時出現的事件,也就是所謂的ttH事件是相當困難的事情。首先,大約只有1%的希格斯粒子會與頂夸克對同時產生,或是說,每一千對正反頂夸克對中,伴隨著希格斯粒子一起出現的機率不到一次。接著,希格斯粒子跟頂夸克各自都有許多種的衰變模式。比如說,希格斯粒子可以衰變為兩個Z粒子、兩個W粒子,兩個光子、兩個tau子,或是兩個底夸克噴流(bottom quark jet)。而頂夸克也有許多種的衰變模式。因此要研究ttH事件,必需要把所有可能的衰變模式都考慮進來,以增加找到ttH事件的機會。

因此LHC的CMS利用過去在7, 8, 13TeV的實驗數據,盡可能的分析各種ttH的衰變模式,也就是考慮了希格斯粒子衰變為兩個Z粒子、兩個W粒子,兩個光子、兩個tau子,或是兩個底夸克噴流的情形,並把這些結果合併在一起。這編列出來的五種衰變模式中,有些可以給出很清楚的希格斯粒子訊號,但是出現機率較低(例如雙光子衰變),或是出現機率較高,但是背景較大(例如衰變成兩個底夸克噴流)。終於,CMS首先發表了觀測到了ttH的實驗證據,也就是超過了五個標準差。ATLAS不久之後也以類似的研究方式發表了類似的結果。重要的是,CMS與ATLAS兩者的實驗結果相互吻合,而且也與標準模型的預測一致。

根據CMS的結果,希格斯粒子與頂夸克的耦合強度約略與標準模型所預測的一致。過去透過測量兩個膠子透過虛頂夸克對而產生希格斯粒子的結果,也得到了類似的結果,因此這次的實驗結果相當於再次而且是以直接測量的方式直接證實了希格斯粒子與頂夸克的耦合強度。

觀測到ttH事件再次驗證了標準模型的正確性。對物理學家來說,下一個要挑戰的,將可能會是測量希格斯粒子與自己的作用力強度。透過測量希格斯粒子與自己的作用力強度,將有助於物理學家理解標準模型中,電弱相變化是如何產生的,且W與Z粒子是如何得到質量的。

原始論文:A. M. Sirunyan et al. (CMS Collaboration), “Observation of tt̄ H Production,” Phys. Rev. Lett. 120, 231801 (2018).

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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

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