探索夸克和轻子的质量起源

希格斯粒子

我们所生活的这个宇宙，是由基本粒子构成的。这些粒子包括了我们熟悉的电子、中微子、夸克等等。令人惊奇的是，在宇宙诞生之初，所有的这些粒子都是没有质量的。而它们之所以获得质量，是因为粒子会与希格斯场相互作用。粒子与希格斯场的相互作用越强，获得的质量就越大。

根据量子物理学，所有的场都有其对应的粒子。这些场弥漫在整个空间中，激发不同的场就会产生相应的粒子。而与希格斯场相关的粒子是希格斯玻色子。

尽管早在上个世纪六十年代物理学家就已经预言了希格斯玻色子的存在，但直到2012年，才终于在隐藏于欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）的数据中，发现了希格斯玻色子的确凿证据。这是标准模型中最后一个被发现的粒子。

粒子物理学的标准模型描述了已知的所有粒子，以及这些粒子如何与除引力的其他三种基本力（即电磁力、强力和弱力）相互作用。

发现希格斯玻色子并不意味着结束，相反，物理学家仍在不断地探索其性质。

在一项新发表于《物理评论快报》的研究中，CERN的ATLAS合作组通过对希格斯玻色子衰变为一对μ子和反μ子的测量，进一步探索了夸克和轻子的质量起源。

第二代费米子的质量也源于希格斯场？

夸克和轻子都属于费米子，它们是迄今为止发现的最基本物质组成单元。夸克有六种“味”，分别为上、下、顶、底、粲、奇，受到强、弱以及电磁相互作用的影响。而轻子则分为带电轻子和中性轻子——前者包含电子、μ子、τ子，受到弱相互作用和电磁相互作用的影响；后者为三种中微子，只受到弱相互作用的影响。

夸克和带电轻子的质量范围跨越了5个数量级以上，顶夸克的质量几乎是电子的34万倍。如此巨大的质量等级是如何产生的呢？

在此前的LHC实验中，ATLAS合作组和CERN的CMS合作组已经在第三代费米子——顶夸克（173 GeV）、底夸克（4.2 GeV）以及τ轻子（1.8 GeV）这几个最重的费米子上证实了它们与希格斯场之间的相互作用。

那么，同样的机制是否也适用于更轻的第二代费米子（比如μ子和粲夸克）呢？物理学家把目光投向了质量为0.106 GeV的μ子。然而，这在实验上面临的挑战却极其严峻。

大海捞针

希格斯玻色子会衰变成一个μ子和反µ子对（H→μμ），但发生概率极低——约每5000次希格斯衰变中，只有一次会出现这一衰变过程。要识别这一罕见的衰变过程，难度堪比大海捞针。因为物理学家需要寻找质量约125 GeV的（对应希格斯质量）处的双µ子衰变的微量过剩事件。然而，有成千上万对来自其他过程产生的μ子（“背景”）会严重淹没目标信号。

在2021年，CMS合作组首次给出了有统计意义的迹象，表明希格斯场以预期的强度与μ子发生了相互作用。他们在背景之上观测到约3个标准差的过剩信号，得到的衰变率约为理论预期的1.2倍。

为了提升探测灵敏度，ATLAS合作组的物理学家将LHC第三轮运行的前三年数据（2022–2024，共165fb⁻¹）与完整的第二轮运行数据集（2015–2018，共140fb⁻¹）合并分析。他们开发了更先进的方法来更好地模拟背景过程，并根据希格斯玻色子的不同产生方式对事件进行分类，进一步优化事件筛选技术，以提高真实信号的识别概率。

ATLAS合作组在13 TeV和13.6 TeV的质子和质子碰撞中搜索125 GeV希格斯玻色子的双μ子衰变时，观测到相对于背景的3.4个标准差的过剩信号。由此推断出的希格斯玻色子衰变为μ子和反μ子对的衰变率是理论预期的1.4倍。

还有许多谜题

新的结果表明，希格斯场像赋予最重的费米子质量那样，也赋予了μ子

质量。

不过，对于粒子物理学家而言，这样的证据还不够有说服力，因为只有结果达到5个标准差，才能说是发现。一旦达到这个水平，研究人员就能尽可能精确地比较理论与实验观测，从而追问：希格斯相互作用是否是费米子质量的唯一来源。

接下来，还有许多工作有待完成。粒子物理学家还希望能测量希格斯场与奇夸克、下夸克以及上夸克之间的相互作用率，而那将会是极具挑战性的任务。在更遥远的未来，物理学家的目标是直接观测到希格斯玻色子衰变为一个电子和一个正电子——这一事件大约在2亿次衰变中才会发生一次。实现这一目标，等同于揭示电子的起源，这将是非凡的成就。

即便最终确认费米子的质量是由其与希格斯场的相互作用所决定，那么又是什么决定了每一种费米子的具体质量数值呢？为什么顶夸克那么重？为什么中微子那么轻？关于物质粒子的质量起源，还有许多谜题等待被揭开。

#参考来源：

https://atlas.cern/Updates/Briefing/Rare-Higgs-Run3

https://physics.aps.org/articles/v18/190

#图片来源：

封面图&首图：ATLAS Collaboration