LHC 證實極罕見物理現象,希格斯玻色子與最重粒子頂夸克同時生成

作者 | 發布日期 2018 年 06 月 23 日 12:30 | 分類 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly

歐洲大型強子對撞機(LHC)以兆分之一的機率觀測到高能物理學領域中的罕見現象,希格斯玻色子與最重粒子頂夸克同時在極大能量的碰撞下生成。過去,科學家只能間接證明頂夸克與希格斯玻色子如何相互作用,現在終於有了直接證據。



2012 年,歐洲大型強子對撞機(Large Hadron Collider,LHC)宣布終於找到粒子物理標準模型中最後一個缺失粒子──於 1964 年首次提出的希格斯玻色子(Higgs boson)。媒體高調封它為「上帝粒子」,標準模型因它而完整,每個粒子如何衰變、作用及各自內在屬性無一違反基本原則,從標準模型可以描述強力、弱力、電磁力這 3 種作用力(讓粒子採取行動的「力量」),以及組成所有物質的基本粒子,除了重力外,標準模型可以合理解釋這世界大多數物理現象。

已知基本粒子可以分為費米子(包含夸克與輕子)及玻色子(包含規範玻色子與希格斯粒子)兩種類型,費米子負責組成物質,比如電子、質子、中子,而玻色子帶有能量,負責傳遞作用力使費米子黏結在一起,比如光子。2012 年時我們知道了希格斯玻色子與帶有作用力的基本粒子相互作用,比如 W 玻色子,科學家接著想理解希格斯玻色子與費米子的關係。

2014 年,大型強子對撞機的兩大粒子偵測器中之一緊湊緲子線圈(Compact Muon Solenoid,CMS),透過測量希格斯玻色子衰變成 τ 輕子(tau leptons)發現其與費米子具有相當程度的關聯;之後,緊湊緲子線圈和超環面儀器(ATLAS)都找到了希格斯玻色子衰變成底夸克(bottom quark)的證據。

▲ 緊湊緲子線圈。(Source:By Julian Williams [Copyrighted free use], via Wikimedia Commons

但解決了一個物理疑問,下一個問題就會冒出來,科學家現在又想了解希格斯玻色子與頂夸克(top quark)的關聯。由於頂夸克是目前發現最重的夸克,質量為173.1±1.3GeV/c(做為比較,質子的質量也才 938MeV),做為「質量餽贈者」,照理說希格斯玻色子應該非常喜歡頂夸克。

幸運地,歐洲核子研究組織(CERN)在 6 月宣布大型強子對撞機發現極罕見物理現象,首次透過實驗證實了希格斯玻色子與頂夸克同時生成,提供有關頂夸克如何獲得如此巨大質量的線索。

粒子加速器每次實驗都碰撞超過 1015  個質子對,其中只有幾百次碰撞會同時生成希格斯玻色子與頂夸克,研究團隊需透過極複雜演算法識別子粒子來源於哪些母粒子,並剔除混淆結果的數據,其所需精力令人嘆為觀止。實驗最後,頂夸克衰變為 W 玻色子和底夸克,希格斯玻色子則衰變成底夸克、W 玻色子、τ 輕子、光子等。

頂夸克和希格斯玻色子之間的密切關係,可能為我們提供一條發現新粒子的途徑,對粒子物理學家來說這更是激動人心的時刻,有機會超越標準模型,奠定全新物理學。

(首圖來源:歐洲核子研究組織