微资讯！如果【guǒ】希格【gé】斯粒子能到达【dá】隐谷我们将在下一代【dài】加速【sù】器中【zhōng】看到新【xīn】的物理学

可能是著名的希格斯玻【bō】色子，共同负责大【dà】量基本粒子【zǐ】的【de】存【cún】在，也【yě】与几十年来【lái】一直【zhí】在寻找的新物理学世界相互作用。如果情况确【què】实如此，希格斯粒子应该以一【yī】种特有的方式【shì】衰变，涉【shè】及奇异粒子。位于克【kè】拉科【kē】夫的波兰科学院核物【wù】理研究所【suǒ】表明，如果【guǒ】这种衰变确实发生【shēng】，它们将在目前【qián】正【zhèng】在设计的大型强【qiáng】子对【duì】撞机【jī】的后继产品中【zhōng】观察到。

谈【tán】到“隐谷【gǔ】”时，我【wǒ】们首先想到的是【shì】龙，而不是可靠的科学。然而，在高【gāo】能物理学中，这个生动【dòng】的名字【zì】被赋予【yǔ】了某些模型，这【zhè】些模型扩展【zhǎn】了当前已【yǐ】知的基本粒子集。在这些所谓的隐【yǐn】谷模型中【zhōng】，标准模型描述【shù】的我们【men】世界的粒子【zǐ】属【shǔ】于低能组，而奇异粒子则隐藏在高能区。理论上的考虑【lǜ】表明著名的希格斯玻色子的奇异【yì】衰【shuāi】变，尽管【guǎn】经过多年【nián】的探索，大型【xíng】强子对【duì】撞机加速器仍未【wèi】观察【chá】到【dào】这种情况。然而【ér】，

“在【zài】 Hidden Valley 模【mó】型中【zhōng】，我们有两【liǎng】组粒子被【bèi】能垒【lěi】隔开。该理论认为，在特定情况下，可【kě】能会有奇异的大质【zhì】量粒子穿过【guò】这【zhè】个屏障。像希格斯玻色子或假设的【de】 Z" 玻色子这样的粒子将充当【dāng】两个世【shì】界粒子之间【jiān】的通信者。希格斯玻色子是【shì】标准模型中质量最【zuì】大的粒子之一【yī】，是此【cǐ】类【lèi】传播者的理想候【hòu】选【xuǎn】者，”《高能物理学杂志》上【shàng】一篇【piān】文章的主【zhǔ】要作者 Marcin Kucharczyk 教【jiāo】授 (IFJ PAN)介绍了【le】有关在未来的轻子加速器中检【jiǎn】测【cè】希格【gé】斯玻色【sè】子衰变的可能性【xìng】的最新分析和模【mó】拟。

(资料图)

通【tōng】讯【xùn】器进入低能区后，会【huì】衰变成两个质量【liàng】相当大【dà】的奇异【yì】粒子。这些粒子中的每一个都【dōu】会以皮秒为单位【wèi】——即万亿分之一秒——衰变成另外两个【gè】质【zhì】量更小的粒子【zǐ】，然后它们【men】将在【zài】标准模型中。那么未来加速器的探测器会出现什么迹象【xiàng】呢【ne】?希【xī】格斯粒子本身将不会被注意到，两个【gè】隐谷粒子也是如此。然而【ér】，奇【qí】异粒子会逐渐【jiàn】发【fā】散并最【zuì】终衰【shuāi】变【biàn】，随着【zhe】粒子射流从轻子束的轴上偏移，通【tōng】常【cháng】会变成现代探测【cè】器【qì】中可见的夸克-反夸克美对。

“因此【cǐ】，对【duì】希格斯玻色子衰变【biàn】的观【guān】察将【jiāng】包括寻找【zhǎo】由夸克【kè】-反夸【kuā】克对产生的粒子射流。然后必须【xū】对它们【men】的【de】轨【guǐ】道进【jìn】行追溯重建，以找到外来粒子【zǐ】可能已经衰【shuāi】变的地方。这些地方，专业上称【chēng】为衰变顶点，应该成对出现，并且【qiě】相对于【yú】加【jiā】速器中碰撞光束的轴有【yǒu】特征地移动。这些【xiē】变【biàn】化的大小取决于【yú】希格【gé】斯衰变期【qī】间出现的奇异粒【lì】子的质量和平均寿命等因素【sù】”，理学硕士 Mateusz Goncerz 说。(IFJ PAN)，相关论文的合【hé】著者。

目前世界【jiè】上最大的【de】粒【lì】子加速器 LHC 的质子碰撞能量【liàng】高达数兆电【diàn】子伏特，理论【lùn】上足以产生【shēng】能够【gòu】跨越将我【wǒ】们的【de】世【shì】界与【yǔ】隐谷【gǔ】分隔开【kāi】的能量屏障的希格斯粒子。不幸的是，质【zhì】子不是基【jī】本粒子——它们由三个被强相互【hù】作【zuò】用束缚的价夸克组成，能够产生大量不断出现和消失的虚【xū】粒【lì】子，包括夸【kuā】克【kè】-反夸克【kè】对【duì】。这种【zhǒng】动态复杂的内部结构在质【zhì】子碰【pèng】撞中产生了大量的次级粒子，包括许多质量很大的【de】夸克【kè】和反【fǎn】夸克【kè】。它们形成了【le】一【yī】个背景，在这个背【bèi】景下，几乎不可能从正在寻【xún】找的【de】奇异希格斯玻色子衰变【biàn】中找到粒子【zǐ】。

应该通过将加速器设计【jì】为大型【xíng】强子对撞【zhuàng】机的后【hòu】继者，从根本上改【gǎi】进对可能的【de】希格斯【sī】衰变到这些状态的检测：CLIC(紧凑型线【xiàn】性对撞机【jī】)和【hé】 FCC(未来圆【yuán】形对撞机【jī】)。在这两种设备中，电子都可以与【yǔ】它们的反【fǎn】物【wù】质伙伴正电【diàn】子【zǐ】碰撞(CLIC 专用于此类碰撞【zhuàng】，而【ér】 FCC 也将【jiāng】允许质子和【hé】重离子【zǐ】碰撞)。电子和正电子没有内【nèi】部结构【gòu】，因此奇异【yì】的【de】希格斯玻色【sè】子衰变【biàn】的背景应该比大型【xíng】强子对撞机弱。只有【yǒu】这样【yàng】才能识别出有价值的信号吗?

在他们的【de】研【yán】究中，来自 IFJ PAN 的物理学家考虑了 CLIC 和【hé】 FCC 加【jiā】速【sù】器最【zuì】重要的参数【shù】，并【bìng】确【què】定了【le】具有四个美夸克和反夸克形式的终态的奇异希格【gé】斯衰变的概【gài】率。为了【le】确保预测涵盖更广泛的模型组，外【wài】来粒子的质量和平均寿【shòu】命被考虑在适【shì】当【dāng】广【guǎng】泛的值范【fàn】围内。结论【lùn】出人【rén】意料地积极：所有迹象都【dōu】表【biǎo】明，在未来的电子-正电子【zǐ】对撞【zhuàng】机中，奇异的希格斯【sī】衰变背景甚至【zhì】可【kě】以从根本上减【jiǎn】少几个数量级【jí】，在某些情况下甚至可以忽【hū】略不计。

粒子通信子【zǐ】的存在不仅在 Hidden Valley 模型中是可能【néng】的，而且在标准模【mó】型的其他扩展中也是【shì】可能的。因此，如【rú】果未来【lái】加速器的探测【cè】器记录下与【yǔ】克拉科夫研究【jiū】人员分【fèn】析的希格斯衰【shuāi】变【biàn】相【xiàng】对应的特征，这将只是理解新物理学的第一步。下一步【bù】将是收【shōu】集足够多的事件，并确定可以【yǐ】与新【xīn】物理学【xué】理论模型的预测【cè】进行【háng】比【bǐ】较的主【zhǔ】要【yào】衰变参数。

“因此，我们工作的主要【yào】结【jié】论纯【chún】粹是实用的。我【wǒ】们不确定希格斯玻色【sè】子【zǐ】衰变中【zhōng】涉及的新物理【lǐ】粒子【zǐ】是否属于我【wǒ】们使用的隐谷模【mó】型。然【rán】而，我们已经【jīng】将这个模型【xíng】视为许多其他新物理【lǐ】学提议的代【dài】表，并且已经表【biǎo】明，如果【guǒ】如模型所预测【cè】的【de】那样【yàng】，希格斯玻【bō】色子衰变成【chéng】奇异粒【lì】子，那【nà】么这种现象应该在【zài】那些【xiē】电子和正【zhèng】电子对撞机中完全可见【jiàn】，这些对撞机是计划在不久的将来推出”，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。