关闭多年后,美国原子粉碎者揭示了“上帝粒子”的属性

在一个科学的鬼故事中,美国原子粉碎机在关闭后的3.5年内做出了重要的科学贡献。 据科学家报道,伊利诺伊州巴塔维亚的Tevatron对撞机提供了有关着名的希格斯玻色子性质的新细节 - 这是物理学家解释其他基本粒子如何获得其质量的关键,这一点在理论上被称为标准模型。 新结果支持了在不同原子粉碎机上发现的希格斯完全符合标准模型预测的情况。

伦敦国王学院和欧洲核子研究中心的理论家约翰埃利斯说,“这是一篇非常有趣和重要的论文,因为这是一种探索希格斯性质的不同机制”,他没有参与这项工作。 他说,“这是Tevatron的天鹅之歌”。

Tevatron是伊利诺斯州巴塔维亚费米国家加速器实验室(费米实验室)的一个7公里长的环形对撞机,从1983年开始运行至2011年9月。它看到但从未真正发现过该粒子。 这一归功于大型强子对撞机(LHC)的物理学家,这是一个27公里长的原子粉碎机,位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室CERN。 他们在2012年7月宣布了他们的发现。

一旦大型强子对撞机的物理学家发现希格斯,他们就会确定它的质量:125千兆电子伏特,或大约是质子质量的133倍。 但粒子也具有其他特征。 像所有基本粒子一样,希格斯具有固定和量子化的角动量或旋转量。 它还具有称为奇偶性的对称性,它可以是偶数或奇数,并且例如影响希格斯衰变成其他粒子的方式。 根据标准模型,希格斯应该具有零自旋和正奇偶校验。 然而,可以想象观察到的粒子可以具有零自旋和负奇偶校验或两个自旋和正奇偶校验单位。 如果希格斯具有如此奇特的“自旋平价”,许多物理学家会感到激动,因为它会指向标准模型未预测的新现象。

实际上,使用由LHC大型设备(称为ATLAS和CMS)提供的两个最大粒子探测器的实验人员已经高度肯定地证明希格斯玻色子具有零自旋和偶数奇偶性。 为此,他们研究了希格斯衰变为熟悉的粒子,例如一对光子或一对称为Z玻色子的大质量粒子。 从那些新兴的子粒子的角度分布,物理学家能够确定父母Hig​​gs的自旋和奇偶性。

使用Tevatron数据的研究人员采取了不同的策略。 他们没有研究Higgses的衰变,而是 , 粒子传达了弱核力,正如他们在物理评论快报的一篇论文中所解释的那样。 (希格斯被认为会衰变成一对称为底夸克和抗原夸克的粒子。)从希格斯及其伙伴的能量和动量,研究人员然后计算出一对称为不变质量的数量。 如果希格斯和伴侣从单亲母粒子的衰变中诞生,那么这个数量将是该父母的质量。 实际上,希格斯及其伙伴将直接从粒子碰撞的混乱中出现,因此母粒子纯粹是假设的。

然而,通过计算假设的母粒子的质量,研究人员能够通过代理测试自旋和奇偶校验的不同组合。 如果希格斯具有“奇异的”自旋奇偶性而不是标准模型特征,则观察到的不变质量将更高。 因此,研究人员使用由Tevatron-CDF和D0搜索的两个粒子探测器搜索了这样的高不变质量对。 没有发现,他们排除了更加严格的希格斯异域版本。 因此,尽管Tevatron物理学家从未最终确定观察过希格斯玻色子,但他们能够对其属性施加限制。

从技术上讲,新的Tevatron限制略强于LHC实验设定的限制,费米实验室的物理学家Dmitri Denisov说,他在D0工作。 但欧洲核子研究中心的埃利斯表示,ATLAS和CMS已经基本解决了这个问题。

埃利斯说,实际上,Tevatron的研究人员错过了一个机会,可以在希格斯的自旋和平价上舀取他们的LHC对手。 在大型强子对撞机的研究人员发现希格斯的几周后,埃利斯及其同事在一篇论文中解释了Tevatron团队如何将不变质量技术应用于他们的存档数据,以便采用“快速通道”来测试希格斯的旋转和平价。 由于技术原因,该技术对于Tevatron数据比对LHC数据更敏感,他们解释说,因为Tevatron碰撞了质子和反质子,而LHC碰撞了质子和质子。 但最终,由于CDF和D0团队成员离开了大型强子对撞机,Tevatron分析进展缓慢。 埃利斯说:“这个结果在某种程度上具有'我们太'的特点,而不是像我们希望的那样首先出现。”

杰尼索夫同意缺乏人才阻碍了进步。 他指出,甚至在希格斯被发现之前,整个想法都可以尝试:“如果[埃利斯]在一年之前来到我们这里,我们甚至可以在它被发现之前确定希格斯的自旋和平价。”

对于Tevatron的希格斯研究,“基本上就是这样,”杰尼索夫说。 与此同时,在LHC工作的物理学家的目标是以更高的精度探测希格斯的其他属性。 特别是,他们希望在几个百分点内测量希格斯衰变成更熟悉粒子的不同组合的速度,并将其与标准模型预测进行比较。 研究人员表示,工作大约需要15年。

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