粒子物理学的标准模型描述了构成我们宇宙的已知基本粒子和力（引力除外）。标准模型的核心特征之一是一个渗透所有空间并与基本粒子相互作用的场。这个场的量子激发，称为希格斯场，表现为希格斯玻色子，这是唯一没有自旋的基本粒子。2012年，在欧洲核子研究中心大型强子对撞机的ATLAS（超导环场探测器）和CMS（紧凑缪子线圈）实验中，观察到了一种性质与标准模型的希格斯玻色子一致的粒子。希格斯玻色子被探测到不下30次，让研究人员有机会验证其行为是否符合基本粒子物理学标准模型的描述。
2022年7月4日，ATLAS（超导环场探测器）实验组在Nature 在线发表题为“A detailed map of Higgs boson interactions by the ATLAS experiment ten years after the discovery”的研究论文，该研究在这个更大的数据集的基础上，结合了史无前例的希格斯玻色子的产生和衰变过程，以仔细研究它与基本粒子的相互作用。
详细研究了与胶子、光子以及 W 和 Z 玻色子（强、电磁和弱力的载体）的相互作用。与3个第三代物质粒子（底夸克（b）和顶夸克（t）以及 tau 轻子（τ））的相互作用得到了很好的测量，并且与第二代粒子（μ子，μ）相互作用的迹象正在出现。这些测试表明，十年前发现的希格斯玻色子与该理论的预测非常一致，并为标准模型之外的许多新现象模型提供了严格的约束。
另外，2022年7月4日，CMS（紧凑缪子线圈）实验组在 Nature 在线发表题为“A portrait of the Higgs boson by the CMS experiment ten years after the discovery”的研究论文，该研究根据质子数据报告了关于希格斯玻色子特性的最新结果组合，包括对产生一对希格斯玻色子的横截面的最严格限制–质心能量为 13 teraelectronvolts 的质子碰撞。在不确定性范围内，所有这些观察结果都与基本粒子物理标准模型的预测相符。一些标准模型问题起源于希格斯玻色子物理学领域。一个数量级的希格斯玻色子预计将在未来 15 年内进行检查，这将有助于加深我们对这一关键领域的理解。
最后，Nature 及子刊还专门发表了关于希格斯玻色子十周年之际的观点，评论，新闻及编辑总结等8篇文章。
粒子物理学的标准模型自提出以来已经通过了许多实验的检验，在考虑了中微子的质量之后，到目前为止，实验观察和预测之间没有任何差异。标准模型的一个核心特征是存在一个无自旋的量子场，它渗透到宇宙中并赋予大质量基本粒子以质量。几十年来，测试该场及其相关粒子希格斯玻色子的存在和性质一直是粒子物理学的主要目标之一（若希格斯玻色子出现，物质质量起源之谜将会揭开；若希格斯玻色子不存在，理论上只能要求所有粒子无一例外地必须完全没有质量——这无疑与现行的实验观察相矛盾，物理学家们若要重新评估该论述，其意义可能不只是一条理论的修改，而是一场颠覆）。
CMS探测器于2012年记录的一次事件。图源：欧洲核子研究中心
在标准模型中，希格斯玻色子和给定粒子之间的相互作用或“耦合”的强度完全由粒子的质量和类型定义。没有与无质量标准模型力介体、光子和胶子的直接耦合，而理论上存在与大质量粒子的三种耦合。第一个是希格斯玻色子与弱力介质的“规范”耦合，即 W 和 Z 矢量玻色子。证明规范耦合的存在是对自发电弱对称破缺机制的重要测试。第二种类型的耦合涉及希格斯玻色子和物质粒子或费米子之间的另一种基本相互作用，即Yukawa相互作用。第三种耦合是希格斯玻色子与自身的“自耦合”。该理论的一个中心预测是耦合与粒子质量成比例，并且一旦所有粒子质量都已知，它们就会被精确预测。因此，希格斯玻色子与每个单独粒子的耦合的实验确定为标准模型提供了重要且独立的测试。它还对标准模型之外的理论提供了严格的约束，通常预测不同的耦合值模式。
由矢量玻色子融合产生并衰变为不可见粒子的希格斯玻色子的候选事件展示，由 ATLAS（左）和 CMS（右）记录。图源：欧洲核子研究中心
2012 年，欧洲核子研究中心大型强子对撞机 (LHC) 的ATLAS（超导环场探测器）和CMS（紧凑缪子线圈）实验组宣布发现了一种新粒子，其性质与标准模型中希格斯玻色子的预测一致。使用 LHC 2011 年至 2012 年第一个数据采集期间（Run 1）采集的所有质子-质子碰撞数据的更精确测量表明，与所有其他已知基本粒子相比，发现的基本粒子的性质粒子与它没有自旋的假设一致。还测试了备用自旋 1 和自旋 2 假设，并以高置信度排除。还对新粒子的电荷共轭和宇称 (CP) 特性进行了研究，证明了与标准模型预测的 CP-偶数量子态的一致性，同时仍然允许非标准模型 CP-偶数或 CP 的少量混合物-奇数状态。
观察和预测希格斯玻色子产生横截面和分支分数（图源自Nature ）
粒子寿命的限制是通过间接测量其自然宽度获得的。此外，还实现了对新粒子与其他基本粒子相互作用的更精确测量。所有这些研究的结果表明，它的性质与标准模型希格斯玻色子的性质是相容的。然而，与这些早期测量相关的统计不确定性，为根据标准模型之外的新现象对数据进行可能的解释提供了相当大的空间，并使标准模型的许多预测未经检验。
希格斯玻色子的表征在 2015 年至 2018 年的 Run 2 数据采集期间继续进行。预计在此期间 ATLAS 探测器中将产生约 9 百万个希格斯玻色子，其中只有约 0.3% 可通过实验获得。由于更高的碰撞率和碰撞能量从 8 teraelectronvolts (TeV) 增加到 13 TeV，这提高了生产率，这比发现时的事件多 30 倍。
观察和预测不同运动学区域的希格斯玻色子产生横截面（图源自Nature ）
在这篇文章中，完整的 Run 2 数据集，对应于 139 inverse femtobarns (fb−1) 的综合光度，用于测量希格斯玻色子的产生和衰减率，用于研究希格斯玻色子和涉及的粒子。这改进了之前使用部分 Run 2 数据集获得的测量结果。相应的预测取决于希格斯玻色子质量的值，该值现已通过 ATLAS 和 CMS 实验测量，不确定度约为 0.1%。本文采用的预测使用 125.09 GeV 的组合中心值。
该研究详细探索了与胶子、光子以及 W 和 Z 玻色子（强、电磁和弱力的载体）的相互作用。与3个第三代物质粒子（底夸克（b）和顶夸克（t）以及 tau 轻子（τ））的相互作用得到了很好的测量，并且与第二代粒子（μ子，μ）相互作用的迹象正在出现。这些测试表明，十年前发现的希格斯玻色子与该理论的预测非常一致，并为标准模型之外的许多新现象模型提供了严格的约束。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04893-w
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04892-x
https://www.nature.com/collections/gbfhieacie
转自：谷粉学术
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