LHC的實驗觀察到希格斯粒子衰變為渺子對的證據

LHC的ATLAS與CMS同時發表了希格斯粒子衰變為渺子對的最新結果。CMS表示他們觀察到希格斯粒子衰變為渺子對的證據 (envidence)。

Image: CERN

撰文/陳勁豪

在2012年,LHC的兩個大型實驗ATLAS與CMS同時宣布發現了希格斯粒子 (Higgs particle)。自此之後,這兩個大實驗就開始對希格斯粒子進行相當徹底的研究。其中最重要的一個課題是研究希格斯粒子與其他粒子的交互作用。根據Brout-Englert-Higgs機制,希格斯粒子可以透過希格斯場賦予各種基本粒子質量。藉由測量希格斯粒子衰變為其他粒子的機率,可以得到希格斯粒子與該粒子的作用強度。

目前為止,希格斯粒子已經被發現可以衰變為Z玻色子、W玻色子、光子、濤子(tau)以及底夸克 (bottom quark)。Z玻色子、W玻色子、光子這三種粒子都是與作用力的傳播有關。而濤子與底夸克則都是自旋為二分之一的費米子。濤子是輕子的一種。輕子包含三類,依質量由小到大分類分別是分別是電子與電子微中子,渺子與渺子微中子,濤子與濤微中子。而夸克也分為三類,依質量由小到大分類分別是上夸克與下夸克,奇夸克與魅夸克,頂夸克與底夸克。因此,目前只觀察到希格斯粒子衰變為最輕子跟夸克中最重的家族,也就是濤子與底夸克。

這次ATLAS與CMS所公布的結果是希格斯粒子衰變為渺子對的測量結果。渺子是屬於第二類的輕子,也是物理學家首次將希格斯粒子的衰變擴展到第二類的輕子。這個測量的難度在於,希格斯粒子衰變為渺子對的機率大約是五千分之一,因此需要大量的數據才能得到具有統計意義的結果。

根據兩個實驗所公開的實驗結果,ATLAS看到了兩個標準差的訊號,約略相當於這個訊號有四十分之一的機會是統計擾動所造成的。而CMS則是看到了三個標準差的訊號,約略相當於這個訊號有七百分之一的機會是統計擾動所造成的。特別是CMS的結果剛好跨過了被認為是看到證據(envidence)的三個標準差的門檻。若是將ATLAS與CMS的結果合併,將肯定可以跨過三個標準差的門檻。

在LHC未來的實驗中,ATLAS與CMS應該都可以各自發現希格斯粒子衰變為渺子對的現象,也就是跨過五個標準差的門檻。對希格斯粒子衰變到渺子對進行精細的測量,可以驗證標準模型是否正確。若是測量結果與標準模型的預測不一致,將可能會暗示有新物理的存在。

新聞來源
2020/08/03 CERN Press Release: CERN experiments announce first indications of a rare Higgs boson process

原始論文
CMS paper on arXiv: https://arxiv.org/abs/2009.04363
ATLAS paper on arXiv: https://arxiv.org/abs/2007.07830

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