微资讯【xùn】！如【rú】果希格斯【sī】粒【lì】子能到【dào】达隐谷我们将在下一代加速器中看【kàn】到【dào】新的物理学

可能是著名的【de】希格斯玻色子，共同负责大量【liàng】基本粒【lì】子的存在，也与几【jǐ】十年【nián】来一【yī】直在【zài】寻找的新【xīn】物理学世界相互【hù】作【zuò】用。如果情况确实如此，希格【gé】斯粒子应该以一【yī】种【zhǒng】特有的【de】方式衰变，涉及奇异【yì】粒子。位于克拉科夫的波兰科学院核物理研究所表明，如果【guǒ】这种衰变确实【shí】发生，它们将【jiāng】在目前【qián】正【zhèng】在设【shè】计的大型强【qiáng】子对撞【zhuàng】机【jī】的后继产品【pǐn】中观察到【dào】。

谈到“隐谷”时，我们首先想到的是【shì】龙，而【ér】不是可靠的【de】科【kē】学。然而，在高能【néng】物理学中，这个生动【dòng】的名字被赋予了某些【xiē】模型，这些模型【xíng】扩展了当前已知的基本【běn】粒【lì】子集。在这些所【suǒ】谓的隐谷【gǔ】模型【xíng】中，标准模型描述【shù】的【de】我们世界的粒子属于低能组，而【ér】奇异粒子则隐藏【cáng】在高能区【qū】。理【lǐ】论上【shàng】的考虑表【biǎo】明著名的希格斯【sī】玻【bō】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器仍未观察到【dào】这种情况。然而，

“在 Hidden Valley 模【mó】型中，我【wǒ】们有两组粒子被能【néng】垒【lěi】隔开。该理【lǐ】论认【rèn】为，在特定【dìng】情况下，可能会【huì】有奇异的大质量粒子穿【chuān】过【guò】这个屏障。像希格斯玻色子或假设的 Z" 玻色子这样的粒子将充当两个世界粒子【zǐ】之间的通信者。希【xī】格斯玻色子是标准模型中质量【liàng】最大【dà】的粒子【zǐ】之一，是此【cǐ】类传播者【zhě】的理想候选【xuǎn】者【zhě】，”《高【gāo】能物【wù】理学杂志》上一篇【piān】文章的主【zhǔ】要作者【zhě】 Marcin Kucharczyk 教授 (IFJ PAN)介绍了有【yǒu】关在【zài】未来的轻子加速器中检测希【xī】格斯玻色【sè】子【zǐ】衰变的可能性的最新分析和模拟。

(资料图)

通讯器进入低能【néng】区后，会衰变成两个质量相【xiàng】当大【dà】的奇异粒子。这些粒子中的【de】每【měi】一个都会【huì】以皮秒为单位——即万亿分之一秒——衰变成另外两个质【zhì】量更小的粒子【zǐ】，然后它们将在标准【zhǔn】模【mó】型中。那么未来加速器【qì】的探【tàn】测器会【huì】出现什么迹【jì】象呢?希格斯粒子本身将不会被注意到，两【liǎng】个隐谷粒子也是【shì】如此【cǐ】。然而，奇异【yì】粒子【zǐ】会【huì】逐渐发散【sàn】并最终衰变，随着粒子【zǐ】射流从轻子束的轴【zhóu】上【shàng】偏移【yí】，通常会【huì】变成【chéng】现代探测器中可见【jiàn】的夸克-反夸【kuā】克美对。

“因此，对希【xī】格【gé】斯玻色子衰变的观察将包括寻【xún】找【zhǎo】由【yóu】夸克-反【fǎn】夸克对产生的粒子射流。然后必【bì】须对【duì】它们的轨道进【jìn】行追溯【sù】重【chóng】建，以找到外来粒子可能已【yǐ】经衰变的地方。这【zhè】些地【dì】方，专业上称为衰变顶点，应该【gāi】成对出现，并【bìng】且【qiě】相对于加速器中【zhōng】碰撞光束的轴有特征地移动。这些变化的大【dà】小取决于希格斯衰【shuāi】变【biàn】期【qī】间出【chū】现【xiàn】的奇异粒子的质量【liàng】和平均【jun1】寿命等因素【sù】”，理学硕士 Mateusz Goncerz 说【shuō】。(IFJ PAN)，相关论文【wén】的合著者。

目【mù】前世界【jiè】上最大的粒子加速器 LHC 的质子【zǐ】碰撞能量高达数【shù】兆电子【zǐ】伏特，理论上足以产【chǎn】生【shēng】能够跨越将【jiāng】我们的【de】世界与隐谷分隔开的能量【liàng】屏障的希格斯【sī】粒【lì】子。不【bú】幸的【de】是，质【zhì】子【zǐ】不是基本【běn】粒子【zǐ】——它【tā】们由三个被强相互作用束【shù】缚的价夸克组【zǔ】成，能【néng】够【gòu】产生大量不断出现和消失的虚粒子，包【bāo】括【kuò】夸克-反夸克对。这种动态复【fù】杂的内部结构在质子碰撞中【zhōng】产【chǎn】生了大【dà】量的次级粒子，包括许多质量很大的夸克和反夸克。它们形成了一个背景，在【zài】这个【gè】背景【jǐng】下，几【jǐ】乎不可能从正在寻找的奇异希格【gé】斯【sī】玻色【sè】子衰变【biàn】中找到粒子。

应【yīng】该通过将加速器【qì】设计为大型强【qiáng】子对撞机【jī】的后继者，从根本上改进对【duì】可能的希格【gé】斯衰变到这些【xiē】状态的检【jiǎn】测：CLIC(紧凑型线性对撞机)和 FCC(未来圆形对撞【zhuàng】机)。在这两种设备中【zhōng】，电【diàn】子都可【kě】以与它【tā】们【men】的反物质伙伴正【zhèng】电子碰撞【zhuàng】(CLIC 专用【yòng】于【yú】此【cǐ】类碰撞，而 FCC 也将允许质子和重【chóng】离子碰撞【zhuàng】)。电子【zǐ】和正电子没有内部结构，因此奇异【yì】的希格斯【sī】玻色子衰变【biàn】的背景应该比大型强子对撞机弱。只有这样才能识别【bié】出有【yǒu】价值的【de】信号吗?

在他们的【de】研究中，来自 IFJ PAN 的物理学【xué】家【jiā】考虑了 CLIC 和【hé】 FCC 加速【sù】器最重【chóng】要的参数，并确【què】定【dìng】了具有【yǒu】四个【gè】美【měi】夸克和反【fǎn】夸克形【xíng】式的【de】终【zhōng】态的奇异希格斯衰变的概率。为【wéi】了确【què】保预测涵盖更广泛【fàn】的模型组，外来粒子的质量【liàng】和平均寿命被考虑在适当【dāng】广泛的值范围内。结论出【chū】人意料地积极：所【suǒ】有【yǒu】迹象【xiàng】都表明，在未来的电子-正电子对撞机中【zhōng】，奇异的希格斯【sī】衰变背景甚至可以从根【gēn】本上减少几个数【shù】量级，在某些【xiē】情【qíng】况下甚至可以忽略不【bú】计。

粒子通信子【zǐ】的存【cún】在不仅【jǐn】在 Hidden Valley 模型中是可能的，而且在标准模型的【de】其他【tā】扩展中也是可能【néng】的。因此，如果未来【lái】加速器的探【tàn】测器记录下【xià】与克拉科【kē】夫研究人员分析的希格【gé】斯衰变相【xiàng】对应的特征，这将只是理解新物理学的第一步。下一步【bù】将是收集足够多的事件，并确定可以与新物理学【xué】理论模【mó】型的预【yù】测进【jìn】行比较的【de】主要衰【shuāi】变【biàn】参数【shù】。

“因【yīn】此，我【wǒ】们工作的主要结论纯粹是【shì】实用的。我们不【bú】确定希格斯玻【bō】色子衰变中涉及的新物理粒子是否属于【yú】我们使【shǐ】用的隐【yǐn】谷模【mó】型。然而【ér】，我们已经将【jiāng】这个模型视为许多【duō】其他新物理【lǐ】学【xué】提议的【de】代表，并且已经表【biǎo】明，如果如模型所【suǒ】预测【cè】的那样，希格斯玻【bō】色子衰变【biàn】成奇【qí】异粒子，那【nà】么这种【zhǒng】现象应该在那些电子和正电子对【duì】撞机中完全可见，这【zhè】些对撞【zhuàng】机是【shì】计划在不久的将来推出”，Kucharczyk 教授总结【jié】道。

相关研究由波兰国家科学中心的 OPUS 资助资助。