微资讯！如【rú】果希格斯粒子【zǐ】能到达隐【yǐn】谷我们将在【zài】下一代【dài】加速【sù】器中看到新的物【wù】理学

可【kě】能是著【zhe】名的希格斯玻色子，共同【tóng】负责大量基本粒子的【de】存在，也与几十年【nián】来一直在寻找的新物【wù】理学【xué】世【shì】界相互作用。如【rú】果情况确【què】实如此，希格斯粒子应【yīng】该以一种特有的方式衰变，涉及奇异粒子。位于【yú】克拉【lā】科夫的波兰科学院核物理研究所【suǒ】表明【míng】，如果【guǒ】这种【zhǒng】衰变确实发生，它们【men】将在目前正在设计【jì】的大【dà】型强子对【duì】撞机的【de】后继产品【pǐn】中观察到。

谈到“隐谷【gǔ】”时【shí】，我们【men】首【shǒu】先想到【dào】的是龙，而不是可靠的科学【xué】。然而，在高【gāo】能物理学中，这个生动的名字被【bèi】赋【fù】予了某些模【mó】型，这些模型扩【kuò】展【zhǎn】了当前已知的基本粒子集。在【zài】这些所谓的【de】隐谷模型中，标准模型描述的我们世界【jiè】的粒子属于低能组【zǔ】，而奇【qí】异粒【lì】子则隐藏在高能区。理【lǐ】论上的考虑表【biǎo】明著名【míng】的【de】希格斯玻色子的【de】奇异衰变，尽管经过多年的探【tàn】索，大型强子对撞机加速【sù】器仍未观察到【dào】这种情况。然而【ér】，

“在 Hidden Valley 模【mó】型中【zhōng】，我们【men】有两组粒【lì】子被能垒隔开。该理论认为【wéi】，在特定情况下，可能会有奇异的大质量粒子穿过这【zhè】个屏障。像【xiàng】希格斯【sī】玻色子或假设的 Z" 玻色子这样的粒子【zǐ】将充【chōng】当两个世【shì】界粒子之【zhī】间的通信【xìn】者。希【xī】格斯玻色【sè】子是标【biāo】准模型中质量最大【dà】的【de】粒子之一，是此类传【chuán】播者的理想候选者，”《高【gāo】能物理学杂【zá】志》上一篇文章【zhāng】的主要【yào】作者【zhě】 Marcin Kucharczyk 教授 (IFJ PAN)介绍了【le】有关在未来【lái】的【de】轻子加速器中检测希格斯玻色子衰变的可能【néng】性的最新分析【xī】和模拟。

(资料图)

通讯器进入低【dī】能区后，会衰变成两个质量【liàng】相当大【dà】的奇【qí】异粒子。这些粒子【zǐ】中的【de】每一个都【dōu】会以皮秒为单【dān】位——即万亿分【fèn】之一秒——衰变成另外两个质量【liàng】更小的【de】粒子【zǐ】，然后它们将在标准模型中。那么未来加速【sù】器的探测器会出现什么迹【jì】象【xiàng】呢【ne】?希格【gé】斯粒子本身将不会被注意到【dào】，两【liǎng】个隐谷粒子也【yě】是【shì】如此。然而，奇异粒子【zǐ】会逐渐发散并最【zuì】终衰变，随【suí】着粒子射流【liú】从轻子束的轴上【shàng】偏移，通【tōng】常会变成现【xiàn】代探测器中可见的夸克-反夸克【kè】美对。

“因此，对希格【gé】斯玻【bō】色子衰变的【de】观察将包括寻【xún】找由夸克-反夸克对产生的【de】粒子【zǐ】射流。然后必须对它们的轨道进【jìn】行追溯【sù】重建，以找到【dào】外来粒子可【kě】能已经衰变的地方。这【zhè】些地方，专业上称为衰变【biàn】顶【dǐng】点，应该成对出【chū】现，并且【qiě】相对于加速器【qì】中碰撞【zhuàng】光【guāng】束的轴【zhóu】有特【tè】征地移动。这些变【biàn】化的大小取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等【děng】因素”，理学硕【shuò】士 Mateusz Goncerz 说。(IFJ PAN)，相关【guān】论【lùn】文的【de】合著者。

目前世界上最大的粒子加速器【qì】 LHC 的质子碰撞能【néng】量【liàng】高达数兆电【diàn】子伏特，理论【lùn】上足以【yǐ】产生能【néng】够跨【kuà】越【yuè】将我【wǒ】们的世界与隐【yǐn】谷分隔开的能量屏障的希【xī】格斯粒子。不幸【xìng】的【de】是，质子不是【shì】基本粒子——它【tā】们由【yóu】三【sān】个被强相互作用束缚的价夸克组成，能够产生大量不断出现和消失的虚粒子，包括夸克【kè】-反夸克对【duì】。这种【zhǒng】动态复杂【zá】的内【nèi】部结构在质子碰撞中产生了大量的次【cì】级【jí】粒子【zǐ】，包括许多质量很大的夸克和反【fǎn】夸【kuā】克。它们形成了一个背景，在这【zhè】个背【bèi】景下【xià】，几乎不可能【néng】从正在寻找【zhǎo】的【de】奇异希格斯【sī】玻色子衰【shuāi】变中找到粒子。

应该通过【guò】将加速器【qì】设计为大型【xíng】强子【zǐ】对撞机的后继【jì】者，从根【gēn】本【běn】上改进对可能的【de】希【xī】格斯衰变到这些状态的检测【cè】：CLIC(紧凑型线性对撞机)和 FCC(未来圆形对撞机)。在这两种设备中，电子【zǐ】都可以与它【tā】们【men】的反物质伙伴正【zhèng】电子碰撞(CLIC 专用于此类碰撞，而 FCC 也【yě】将允许【xǔ】质【zhì】子和重离【lí】子【zǐ】碰【pèng】撞)。电子和正【zhèng】电子没有内部【bù】结构，因此奇异的希格【gé】斯玻色【sè】子衰变的【de】背景应该比大型强【qiáng】子对撞机弱。只有这样才【cái】能识别出【chū】有价值的【de】信号吗【ma】?

在他们【men】的研【yán】究中，来自 IFJ PAN 的物理学【xué】家考虑了【le】 CLIC 和 FCC 加速器最重要的参数，并确【què】定了具有四个美夸克和【hé】反夸克形式的终态的奇异【yì】希格斯衰【shuāi】变的概【gài】率【lǜ】。为了确保预测涵盖更广【guǎng】泛的模型组【zǔ】，外来【lái】粒子的质量和平均寿【shòu】命被考【kǎo】虑在适当广泛【fàn】的值范围内。结论【lùn】出【chū】人意料地积极：所有【yǒu】迹象都表明，在未来的电子-正电子对【duì】撞机【jī】中，奇异的希格斯【sī】衰【shuāi】变背景甚至可以从根本【běn】上【shàng】减少几个【gè】数量级，在某【mǒu】些【xiē】情【qíng】况下甚至可以忽略【luè】不计【jì】。

粒子通信子的存在不仅在 Hidden Valley 模型【xíng】中是可【kě】能的，而【ér】且在标准模型【xíng】的其他【tā】扩展中也是【shì】可能的。因此【cǐ】，如果【guǒ】未来【lái】加速【sù】器的探测器记录下与克拉科夫【fū】研究【jiū】人员分【fèn】析的希【xī】格斯衰变相【xiàng】对应的特征，这将只是【shì】理解新物理【lǐ】学的【de】第一步【bù】。下一步将是收集足够多的事件，并确定可以【yǐ】与新物理【lǐ】学理论模型的预测进行比较的【de】主要衰变【biàn】参数。

“因此，我们工作的主【zhǔ】要结论【lùn】纯粹是实用的。我【wǒ】们【men】不确定希格斯玻色子衰变中涉及的新物理粒子【zǐ】是【shì】否【fǒu】属【shǔ】于【yú】我【wǒ】们使用的隐谷模型。然而，我们已【yǐ】经将这个模型视为【wéi】许多【duō】其他新物理学提【tí】议的代表，并【bìng】且已经表明，如果如模型【xíng】所【suǒ】预测的【de】那样，希格斯玻色子衰变成奇【qí】异粒子，那么这【zhè】种现象应该在那些电【diàn】子和正电子对撞【zhuàng】机中完全可见【jiàn】，这【zhè】些对撞机是计划在不久的【de】将来推出”，Kucharczyk 教授总【zǒng】结道。

相关研究由波兰国家科学中心的 OPUS 资助资助。