微资【zī】讯！如果【guǒ】希格斯粒子能到达【dá】隐谷我们将在下一【yī】代加速器中看到新【xīn】的物【wù】理学【xué】

可能是著【zhe】名的希格斯玻色子，共同负责大【dà】量基【jī】本粒子的存在，也与几十年来一直在寻找的【de】新物理学世界相【xiàng】互作【zuò】用。如【rú】果情况【kuàng】确实如此，希【xī】格斯粒子应该以一种特有的方【fāng】式衰变，涉【shè】及奇异【yì】粒子。位于克【kè】拉【lā】科【kē】夫的波兰【lán】科学【xué】院核物【wù】理研究所表【biǎo】明【míng】，如果这种衰变确【què】实【shí】发生，它们【men】将在【zài】目前正在设计的大型强子对撞机的后继【jì】产品中观察到。

谈到【dào】“隐谷”时，我们首【shǒu】先想到的是龙，而【ér】不是可靠的科学。然【rán】而【ér】，在高能物理学中，这个生动的名【míng】字被赋予【yǔ】了某些模型【xíng】，这【zhè】些模型扩展了当【dāng】前已知的基【jī】本【běn】粒子【zǐ】集。在这些所谓的隐谷模【mó】型中，标【biāo】准模型描述的【de】我们【men】世界的粒子属于低能组，而奇异粒子则隐【yǐn】藏在高【gāo】能【néng】区。理论上的考虑【lǜ】表明著名的希格斯【sī】玻色子的奇异衰变【biàn】，尽管经过多年的探索，大型强子【zǐ】对撞机加【jiā】速器仍未【wèi】观察到这种情况【kuàng】。然【rán】而，

“在 Hidden Valley 模型中，我们有【yǒu】两组【zǔ】粒子被能垒隔开。该理论认为，在特【tè】定情况下，可【kě】能会有奇异的【de】大质【zhì】量粒子【zǐ】穿过这个屏障。像希格斯玻色【sè】子【zǐ】或假【jiǎ】设的 Z" 玻色子【zǐ】这样的粒子【zǐ】将充当两个【gè】世界粒子之间【jiān】的【de】通信者。希格斯【sī】玻色【sè】子是标准模型【xíng】中质量最大【dà】的【de】粒【lì】子之一，是此类传播者【zhě】的理想候【hòu】选者，”《高能物理学杂志》上一篇文【wén】章【zhāng】的主要作者【zhě】 Marcin Kucharczyk 教授【shòu】 (IFJ PAN)介绍【shào】了有关在未来的轻子加速【sù】器中检测希格斯玻色子衰变的可能性的最新分析和模拟。

(资料图)

通讯器进入低能区后，会【huì】衰变成两【liǎng】个质量相【xiàng】当【dāng】大的奇异粒子。这些【xiē】粒子中的【de】每一【yī】个都会以皮秒【miǎo】为【wéi】单【dān】位【wèi】——即万亿分之【zhī】一秒——衰【shuāi】变成另外两个【gè】质量更小的粒【lì】子，然后它们将在标【biāo】准模型中。那么未来【lái】加【jiā】速器的探测器会【huì】出现什么迹象呢?希格【gé】斯粒子本身将不会【huì】被注意到，两个隐谷粒子也【yě】是如【rú】此。然而，奇异【yì】粒子会逐渐发散并最终衰变，随着粒子射【shè】流从轻子束【shù】的轴上【shàng】偏移，通常【cháng】会变成现代探测【cè】器中可见的夸【kuā】克-反夸克美【měi】对。

“因【yīn】此，对希格斯玻【bō】色子衰变【biàn】的【de】观察【chá】将包【bāo】括【kuò】寻找由【yóu】夸克-反夸克对产生的粒子射【shè】流。然后必须对它们的【de】轨道进行追溯重建，以找到外来粒子可能已【yǐ】经衰变的地方。这些地方，专【zhuān】业上称为衰变顶点，应该成对出现，并且相对于【yú】加【jiā】速器【qì】中碰撞光【guāng】束的轴有特【tè】征地【dì】移动。这些变化的大小【xiǎo】取【qǔ】决于希格斯衰变期间【jiān】出现的奇异粒子的质量和平均寿命【mìng】等因素”，理学硕【shuò】士【shì】 Mateusz Goncerz 说。(IFJ PAN)，相关【guān】论文的合【hé】著者【zhě】。

目前世界上最大的粒子加速器 LHC 的质子【zǐ】碰撞能量高达数兆电子伏特，理【lǐ】论上足以产【chǎn】生能够跨越将【jiāng】我们的世界与【yǔ】隐【yǐn】谷【gǔ】分隔开【kāi】的能量【liàng】屏障的希格【gé】斯粒子。不【bú】幸的【de】是，质子不是【shì】基本粒子——它们由三个【gè】被强相互作用束【shù】缚【fù】的【de】价夸【kuā】克组成，能【néng】够产生大量不断出现和消失的虚粒子，包【bāo】括夸克-反夸克对。这种动态【tài】复杂的内部结构在【zài】质子碰撞中产生了大量的【de】次【cì】级粒子，包括许【xǔ】多质量【liàng】很【hěn】大【dà】的夸克和【hé】反夸克。它们形成了一个背景【jǐng】，在这【zhè】个【gè】背景【jǐng】下【xià】，几乎不可能从正在寻找的奇异希【xī】格斯【sī】玻色子衰变【biàn】中找到粒子。

应该通过将【jiāng】加【jiā】速器【qì】设计【jì】为大型强子【zǐ】对撞机的后继者，从根本上改进对可能【néng】的【de】希格斯衰变【biàn】到这些状态的【de】检【jiǎn】测：CLIC(紧凑型线性对撞机)和 FCC(未来圆形对撞机【jī】)。在这两种设备中，电子都可以与它们的【de】反【fǎn】物质伙伴正电子碰撞(CLIC 专用于此类【lèi】碰撞，而 FCC 也【yě】将允【yǔn】许质子和重离子【zǐ】碰撞)。电子和正【zhèng】电【diàn】子没有内部【bù】结构，因此奇异的希格斯玻色子衰【shuāi】变的【de】背景【jǐng】应该比大型【xíng】强子对撞机【jī】弱【ruò】。只有这样【yàng】才【cái】能识别【bié】出有价值的【de】信号吗?

在【zài】他【tā】们【men】的研究中，来自 IFJ PAN 的物【wù】理学家【jiā】考虑了 CLIC 和 FCC 加速【sù】器最重要的参数，并确定了具【jù】有【yǒu】四个美夸克和反夸克形【xíng】式的终态的【de】奇异希【xī】格斯衰变的概【gài】率。为了确【què】保预【yù】测【cè】涵盖更广泛的模型【xíng】组，外来【lái】粒子的质量和平均寿命被【bèi】考【kǎo】虑【lǜ】在适当【dāng】广【guǎng】泛的值范围内。结论出人意料地积极：所有迹象都表明，在未来【lái】的电【diàn】子【zǐ】-正电【diàn】子对撞机中，奇异的希格斯衰变【biàn】背景甚【shèn】至可【kě】以从根本上减少几个数【shù】量级，在【zài】某些情况下甚至可以忽略不计。

粒子通信子的存在不仅在 Hidden Valley 模型中是可能的，而且在标准模【mó】型的【de】其他扩【kuò】展中也【yě】是可能的。因此，如果【guǒ】未来加【jiā】速器的探测器【qì】记录下与【yǔ】克拉科夫研究人员分析的希格斯衰【shuāi】变相【xiàng】对应的特征，这将只是理解新【xīn】物理【lǐ】学的【de】第【dì】一【yī】步【bù】。下一【yī】步【bù】将是收集足够多的事件，并确定可【kě】以与【yǔ】新【xīn】物理学理论模型的预【yù】测进行比【bǐ】较的主【zhǔ】要衰变参数。

“因此，我【wǒ】们工作的主要结论纯粹【cuì】是实用的。我们不确定希格斯玻色【sè】子【zǐ】衰变中涉【shè】及的【de】新物理粒子是否属于我们使用【yòng】的隐谷模型。然而【ér】，我【wǒ】们已经【jīng】将这个模型【xíng】视【shì】为【wéi】许多其【qí】他【tā】新物理学提【tí】议的代表，并且【qiě】已【yǐ】经表【biǎo】明，如果如模型所预测的那样，希格斯【sī】玻色子【zǐ】衰变成奇异粒子【zǐ】，那么这种现【xiàn】象【xiàng】应该在那些电子和正电【diàn】子对撞机中完全可【kě】见，这些对撞机【jī】是【shì】计划在不【bú】久的将来推出”，Kucharczyk 教授总结道。

相关研究由波兰国家科学中心的 OPUS 资助资助。