微【wēi】资【zī】讯！如【rú】果希格斯粒子能【néng】到【dào】达隐谷我们将在下一【yī】代加速器中【zhōng】看到新的物理学

可能是著名的希格斯玻色子，共同负责大【dà】量基本粒子的【de】存在，也与几十年【nián】来一直在寻找的新物理学世界相互作用【yòng】。如果情况确实【shí】如此，希格斯粒【lì】子【zǐ】应【yīng】该以一种【zhǒng】特有【yǒu】的方式【shì】衰变，涉及奇异【yì】粒子。位【wèi】于克拉科夫的【de】波兰科学【xué】院核物理研【yán】究所表【biǎo】明【míng】，如果这种【zhǒng】衰【shuāi】变确【què】实发【fā】生，它们将在目前正在设【shè】计【jì】的大型强子对撞机的后【hòu】继产品中观察到。

谈到【dào】“隐谷”时，我们首【shǒu】先想到的是龙，而不是可靠【kào】的科【kē】学。然而，在高【gāo】能【néng】物【wù】理学中，这个生【shēng】动的名字被赋予【yǔ】了某些模【mó】型【xíng】，这些模【mó】型扩展了当前【qián】已知的基本粒子【zǐ】集。在这【zhè】些所谓的隐谷模型中，标准模型描述的【de】我【wǒ】们世界【jiè】的粒子【zǐ】属于【yú】低【dī】能【néng】组，而奇异【yì】粒子则隐藏在高能区。理论上的考虑表明【míng】著名【míng】的希格【gé】斯玻色子的奇异衰变，尽管经过多年的探索，大【dà】型强子【zǐ】对撞机加速器仍未【wèi】观察到这种情况【kuàng】。然而，

“在 Hidden Valley 模型中，我们有两组粒子被能垒【lěi】隔开。该理论认【rèn】为，在特定情况下，可【kě】能会【huì】有奇异的大质量【liàng】粒子【zǐ】穿过这个屏障。像希【xī】格斯【sī】玻【bō】色子或假设的 Z" 玻色子这样的粒子【zǐ】将充【chōng】当两个世界粒【lì】子之间【jiān】的通信者。希格斯玻色【sè】子【zǐ】是标准模型中质量最大的粒子之一，是此类传播者的理想候选【xuǎn】者，”《高【gāo】能物理学杂志【zhì】》上一【yī】篇文【wén】章的主要作者 Marcin Kucharczyk 教授 (IFJ PAN)介绍了有关在未来的轻子加速【sù】器中检测【cè】希【xī】格斯【sī】玻色子【zǐ】衰【shuāi】变的可能性的【de】最新【xīn】分【fèn】析和【hé】模拟。

(资料图)

通讯器进【jìn】入【rù】低能【néng】区后，会衰变成两个【gè】质量相当大的奇异粒子。这些粒子中的每一【yī】个都会以【yǐ】皮秒为单位——即万亿分之【zhī】一秒——衰变成另【lìng】外两【liǎng】个质【zhì】量更小的【de】粒子，然【rán】后它们将在【zài】标【biāo】准模型【xíng】中。那【nà】么未来加速器的探测器会出现什么迹象呢?希格斯粒【lì】子【zǐ】本身将【jiāng】不会被注【zhù】意到，两个【gè】隐谷粒子也是【shì】如此。然而，奇【qí】异粒子会逐渐发散并最【zuì】终衰变，随着粒子射流【liú】从轻子【zǐ】束的【de】轴上偏移，通常会【huì】变成现代探测器中【zhōng】可见的夸克【kè】-反【fǎn】夸【kuā】克美对。

“因此，对希格斯玻色【sè】子【zǐ】衰【shuāi】变的观察将包括寻找【zhǎo】由夸克-反夸克【kè】对产生的粒子射【shè】流【liú】。然【rán】后必须对它【tā】们的轨道进行追【zhuī】溯重建，以【yǐ】找到外来粒子可能【néng】已【yǐ】经衰变的地方。这【zhè】些地【dì】方，专业上称为衰变顶点【diǎn】，应该成对出现，并且相对【duì】于加速器中【zhōng】碰撞光束的轴有特征地移动。这【zhè】些变【biàn】化的大小取决【jué】于希格斯衰【shuāi】变期间出现的奇异粒【lì】子的质量和平均【jun1】寿命等因素【sù】”，理学【xué】硕【shuò】士 Mateusz Goncerz 说。(IFJ PAN)，相关论文的合著【zhe】者。

目【mù】前世界上最大的粒【lì】子加【jiā】速器 LHC 的【de】质子碰撞能量【liàng】高达数【shù】兆电子【zǐ】伏特【tè】，理论上足以产生能够跨【kuà】越将我们【men】的世界与【yǔ】隐谷分隔开的能量屏障的【de】希格【gé】斯【sī】粒子。不【bú】幸【xìng】的是，质子不是基本粒子【zǐ】——它【tā】们由【yóu】三个被强相互作用束缚【fù】的价夸克组成，能够产【chǎn】生大量【liàng】不断出现【xiàn】和消失的虚粒子，包括夸克-反夸克【kè】对。这【zhè】种动【dòng】态复【fù】杂的内部【bù】结构在质子碰撞中产生了大量的次级粒子，包括许多质量很大的【de】夸【kuā】克和反夸克。它【tā】们形成【chéng】了【le】一个背【bèi】景，在这个背景下，几乎不可能从【cóng】正在寻找【zhǎo】的奇异希格斯玻【bō】色【sè】子衰变中找到粒子。

应该通过将加速器设计为大【dà】型强子对撞机的后继者，从根本上改【gǎi】进对可【kě】能的希格【gé】斯衰变【biàn】到这【zhè】些状态的检测：CLIC(紧凑型线性对撞机)和 FCC(未来圆形对撞机【jī】)。在这两种设备中，电子都可【kě】以与它【tā】们【men】的反物【wù】质伙伴正电【diàn】子碰撞(CLIC 专用【yòng】于此【cǐ】类【lèi】碰撞，而 FCC 也将允许质子和重离子【zǐ】碰撞)。电子【zǐ】和正电【diàn】子没有内部结构，因此奇异的希格斯玻【bō】色【sè】子衰【shuāi】变的【de】背景应该比大型强【qiáng】子对撞【zhuàng】机【jī】弱【ruò】。只有这样才能【néng】识别出有【yǒu】价【jià】值的信号吗?

在他们的研究中，来自 IFJ PAN 的【de】物理学【xué】家考【kǎo】虑了 CLIC 和 FCC 加速【sù】器【qì】最【zuì】重要的参【cān】数，并确【què】定了具有四个美夸克【kè】和反夸克形【xíng】式【shì】的终态的奇异希【xī】格斯衰变的概率【lǜ】。为了确保预测涵盖更【gèng】广泛的【de】模型组【zǔ】，外来【lái】粒子的质量和【hé】平均寿命被考虑【lǜ】在适【shì】当广泛【fàn】的值范围内。结论出人意料地积【jī】极：所有迹象都表明，在未【wèi】来的电子-正电子对撞机中，奇异的希格【gé】斯衰变【biàn】背景甚至【zhì】可【kě】以从【cóng】根【gēn】本上减少几【jǐ】个数量级，在某些情况【kuàng】下甚至可以忽略【luè】不计。

粒子【zǐ】通【tōng】信子的存在不仅在【zài】 Hidden Valley 模型中【zhōng】是可能【néng】的，而且在【zài】标准模型的其他扩展【zhǎn】中也是可【kě】能的。因【yīn】此，如果未【wèi】来加速器的探测器记【jì】录【lù】下与克拉科夫研究人员分析【xī】的希格【gé】斯衰【shuāi】变相对应的特【tè】征，这将只是理解新物理学的第一【yī】步【bù】。下【xià】一步将是收集足够多的事件，并确【què】定可以与新物理学理【lǐ】论模型的预测进行比较【jiào】的主要衰变参【cān】数。

“因此，我们工作的【de】主要结论【lùn】纯粹是实用的。我们【men】不确定希格【gé】斯玻色子衰变中【zhōng】涉及的新物【wù】理粒子是否属于我们使用的隐谷模型【xíng】。然而，我们【men】已经将【jiāng】这个模【mó】型【xíng】视为许多【duō】其【qí】他【tā】新物【wù】理学提议的代【dài】表【biǎo】，并【bìng】且已经表明【míng】，如果如模【mó】型【xíng】所预【yù】测的那样，希格斯玻【bō】色子衰变成奇异粒【lì】子，那么这种现【xiàn】象应该在那些【xiē】电子和正电子【zǐ】对撞【zhuàng】机中完全【quán】可见，这些对撞机是计划在不久的将来推出”，Kucharczyk 教【jiāo】授总结道。

相关研究由波兰国家科学中心的 OPUS 资助资助。