可能是著名的希格斯玻色子，共同負(fù)責(zé)大量基本粒子的存在，也與幾十年來一直在尋找的新物理學(xué)世界相互作用。如果情況確實(shí)如此，希格斯粒子應(yīng)該以一種特有的方式衰變，涉及奇異粒子。位于克拉科夫的波蘭科學(xué)院核物理研究所表明，如果這種衰變確實(shí)發(fā)生，它們將在目前正在設(shè)計(jì)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的后繼產(chǎn)品中觀察到。

談到“隱谷”時(shí)，我們首先想到的是龍，而不是可靠的科學(xué)。然而，在高能物理學(xué)中，這個(gè)生動(dòng)的名字被賦予了某些模型，這些模型擴(kuò)展了當(dāng)前已知的基本粒子集。在這些所謂的隱谷模型中，標(biāo)準(zhǔn)模型描述的我們世界的粒子屬于低能組，而奇異粒子則隱藏在高能區(qū)。理論上的考慮表明著名的希格斯玻色子的奇異衰變，盡管經(jīng)過多年的探索，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)加速器仍未觀察到這種情況。然而，

“在 Hidden Valley 模型中，我們有兩組粒子被能壘隔開。該理論認(rèn)為，在特定情況下，可能會(huì)有奇異的大質(zhì)量粒子穿過這個(gè)屏障。像希格斯玻色子或假設(shè)的 Z" 玻色子這樣的粒子將充當(dāng)兩個(gè)世界粒子之間的通信者。希格斯玻色子是標(biāo)準(zhǔn)模型中質(zhì)量最大的粒子之一，是此類傳播者的理想候選者，”《高能物理學(xué)雜志》上一篇文章的主要作者 Marcin Kucharczyk 教授 (IFJ PAN)介紹了有關(guān)在未來的輕子加速器中檢測(cè)希格斯玻色子衰變的可能性的最新分析和模擬。

(資料圖)

通訊器進(jìn)入低能區(qū)后，會(huì)衰變成兩個(gè)質(zhì)量相當(dāng)大的奇異粒子。這些粒子中的每一個(gè)都會(huì)以皮秒為單位——即萬億分之一秒——衰變成另外兩個(gè)質(zhì)量更小的粒子，然后它們將在標(biāo)準(zhǔn)模型中。那么未來加速器的探測(cè)器會(huì)出現(xiàn)什么跡象呢?希格斯粒子本身將不會(huì)被注意到，兩個(gè)隱谷粒子也是如此。然而，奇異粒子會(huì)逐漸發(fā)散并最終衰變，隨著粒子射流從輕子束的軸上偏移，通常會(huì)變成現(xiàn)代探測(cè)器中可見的夸克-反夸克美對(duì)。

“因此，對(duì)希格斯玻色子衰變的觀察將包括尋找由夸克-反夸克對(duì)產(chǎn)生的粒子射流。然后必須對(duì)它們的軌道進(jìn)行追溯重建，以找到外來粒子可能已經(jīng)衰變的地方。這些地方，專業(yè)上稱為衰變頂點(diǎn)，應(yīng)該成對(duì)出現(xiàn)，并且相對(duì)于加速器中碰撞光束的軸有特征地移動(dòng)。這些變化的大小取決于希格斯衰變期間出現(xiàn)的奇異粒子的質(zhì)量和平均壽命等因素”，理學(xué)碩士 Mateusz Goncerz 說。(IFJ PAN)，相關(guān)論文的合著者。

目前世界上最大的粒子加速器 LHC 的質(zhì)子碰撞能量高達(dá)數(shù)兆電子伏特，理論上足以產(chǎn)生能夠跨越將我們的世界與隱谷分隔開的能量屏障的希格斯粒子。不幸的是，質(zhì)子不是基本粒子——它們由三個(gè)被強(qiáng)相互作用束縛的價(jià)夸克組成，能夠產(chǎn)生大量不斷出現(xiàn)和消失的虛粒子，包括夸克-反夸克對(duì)。這種動(dòng)態(tài)復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在質(zhì)子碰撞中產(chǎn)生了大量的次級(jí)粒子，包括許多質(zhì)量很大的夸克和反夸克。它們形成了一個(gè)背景，在這個(gè)背景下，幾乎不可能從正在尋找的奇異希格斯玻色子衰變中找到粒子。

應(yīng)該通過將加速器設(shè)計(jì)為大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的后繼者，從根本上改進(jìn)對(duì)可能的希格斯衰變到這些狀態(tài)的檢測(cè)：CLIC(緊湊型線性對(duì)撞機(jī))和 FCC(未來圓形對(duì)撞機(jī))。在這兩種設(shè)備中，電子都可以與它們的反物質(zhì)伙伴正電子碰撞(CLIC 專用于此類碰撞，而 FCC 也將允許質(zhì)子和重離子碰撞)。電子和正電子沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此奇異的希格斯玻色子衰變的背景應(yīng)該比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)弱。只有這樣才能識(shí)別出有價(jià)值的信號(hào)嗎?

在他們的研究中，來自 IFJ PAN 的物理學(xué)家考慮了 CLIC 和 FCC 加速器最重要的參數(shù)，并確定了具有四個(gè)美夸克和反夸克形式的終態(tài)的奇異希格斯衰變的概率。為了確保預(yù)測(cè)涵蓋更廣泛的模型組，外來粒子的質(zhì)量和平均壽命被考慮在適當(dāng)廣泛的值范圍內(nèi)。結(jié)論出人意料地積極：所有跡象都表明，在未來的電子-正電子對(duì)撞機(jī)中，奇異的希格斯衰變背景甚至可以從根本上減少幾個(gè)數(shù)量級(jí)，在某些情況下甚至可以忽略不計(jì)。

粒子通信子的存在不僅在 Hidden Valley 模型中是可能的，而且在標(biāo)準(zhǔn)模型的其他擴(kuò)展中也是可能的。因此，如果未來加速器的探測(cè)器記錄下與克拉科夫研究人員分析的希格斯衰變相對(duì)應(yīng)的特征，這將只是理解新物理學(xué)的第一步。下一步將是收集足夠多的事件，并確定可以與新物理學(xué)理論模型的預(yù)測(cè)進(jìn)行比較的主要衰變參數(shù)。

“因此，我們工作的主要結(jié)論純粹是實(shí)用的。我們不確定希格斯玻色子衰變中涉及的新物理粒子是否屬于我們使用的隱谷模型。然而，我們已經(jīng)將這個(gè)模型視為許多其他新物理學(xué)提議的代表，并且已經(jīng)表明，如果如模型所預(yù)測(cè)的那樣，希格斯玻色子衰變成奇異粒子，那么這種現(xiàn)象應(yīng)該在那些電子和正電子對(duì)撞機(jī)中完全可見，這些對(duì)撞機(jī)是計(jì)劃在不久的將來推出”，Kucharczyk 教授總結(jié)道。

相關(guān)研究由波蘭國(guó)家科學(xué)中心的 OPUS 資助資助。