微资讯【xùn】！如果希格斯粒子能到达【dá】隐谷我们【men】将在下一代【dài】加【jiā】速【sù】器中【zhōng】看到新的物理学

可【kě】能是著名的【de】希格斯玻色子，共同负责大量基【jī】本【běn】粒子的存【cún】在，也与几十年【nián】来一直在寻找的新物理学世界相互【hù】作用。如果情况确实如此，希格斯粒【lì】子【zǐ】应该以一种特有的方式【shì】衰【shuāi】变，涉及奇异粒子。位【wèi】于克拉科夫的波兰科学【xué】院核物理研【yán】究所【suǒ】表明，如【rú】果【guǒ】这种衰变确【què】实【shí】发生，它【tā】们将在目前正在设计【jì】的【de】大型强子对撞机的【de】后继产品中观察到。

谈到“隐谷”时【shí】，我们首先想【xiǎng】到的是龙，而不【bú】是可【kě】靠的【de】科【kē】学。然而，在高能物理学【xué】中，这个生动的名字被赋予了某【mǒu】些模型，这些【xiē】模型扩【kuò】展【zhǎn】了当【dāng】前已【yǐ】知的基本粒【lì】子集【jí】。在这【zhè】些所谓【wèi】的隐谷【gǔ】模型中，标准模型【xíng】描述的【de】我们世界的粒子属于低能组，而奇异粒子【zǐ】则隐藏【cáng】在高能区。理论上的考虑表明著名的希格【gé】斯玻色子的奇异衰变【biàn】，尽管经过多【duō】年的探索，大型强子对撞机加【jiā】速器仍未观察到这种情【qíng】况。然而，

“在【zài】 Hidden Valley 模型中，我【wǒ】们有两组粒子被能【néng】垒隔开【kāi】。该理论认【rèn】为【wéi】，在特定【dìng】情【qíng】况下，可能会有奇【qí】异的【de】大质【zhì】量粒子【zǐ】穿过【guò】这个屏障【zhàng】。像希格斯玻色子或假设的 Z" 玻色子这样【yàng】的粒子将【jiāng】充当两个世界粒子之间的通信者。希格斯玻【bō】色子是标准模型【xíng】中质量【liàng】最大的粒子之一，是此类【lèi】传播者的理想候选者，”《高能【néng】物理【lǐ】学杂志【zhì】》上一篇文章的主要作者 Marcin Kucharczyk 教授【shòu】 (IFJ PAN)介绍了有关在未来的轻子加速【sù】器【qì】中检测希【xī】格【gé】斯玻色子衰变的【de】可【kě】能【néng】性的【de】最新分析和模拟。

(资料图)

通讯器进入低能区后，会衰变成【chéng】两个质量相【xiàng】当大的【de】奇异粒子。这些粒子中的每一个【gè】都【dōu】会【huì】以【yǐ】皮秒为【wéi】单位——即万亿分【fèn】之一【yī】秒——衰变【biàn】成另外两个质量更【gèng】小的【de】粒子，然后它们将在【zài】标【biāo】准模型中。那么未来加速【sù】器的探测器会出【chū】现【xiàn】什么迹象呢?希格斯粒子【zǐ】本【běn】身【shēn】将不会被注意【yì】到，两【liǎng】个隐谷粒子也【yě】是如此【cǐ】。然而，奇异粒子会【huì】逐渐发散并最【zuì】终衰变【biàn】，随着粒子射【shè】流从轻子束的轴上偏【piān】移，通常会变成现代探测【cè】器中可见的夸克【kè】-反夸【kuā】克美对。

“因此【cǐ】，对希格斯【sī】玻色子衰变的【de】观察将包括寻找由夸克-反夸克【kè】对产生的粒子射流。然【rán】后【hòu】必须【xū】对【duì】它们的轨道进行追溯重建，以找到外来粒子可能已经衰变的【de】地方【fāng】。这些地【dì】方，专【zhuān】业上【shàng】称【chēng】为衰变顶点，应该【gāi】成对出现，并且相【xiàng】对于【yú】加速器【qì】中碰撞光束的轴有【yǒu】特征地移【yí】动。这些变化的大小取决于【yú】希格斯衰变期间【jiān】出现的奇异【yì】粒子【zǐ】的质量和平均寿命【mìng】等【děng】因素”，理学【xué】硕【shuò】士 Mateusz Goncerz 说。(IFJ PAN)，相关论文的合【hé】著者。

目前世界【jiè】上最大的粒子加速器【qì】 LHC 的质【zhì】子碰撞【zhuàng】能量高达数兆【zhào】电【diàn】子伏特，理【lǐ】论上足【zú】以【yǐ】产生能【néng】够跨越将我们的世【shì】界与隐【yǐn】谷分隔开的能量屏障【zhàng】的希格斯粒子【zǐ】。不【bú】幸的是，质子不是基【jī】本粒子——它们由三个被强相【xiàng】互作用束【shù】缚的价夸克组成【chéng】，能够【gòu】产【chǎn】生大量【liàng】不断出现和消失的虚粒【lì】子，包括夸克-反夸克【kè】对。这种动态【tài】复杂的内部结构在质子【zǐ】碰撞中产生了【le】大量的次级粒子，包括许多质量【liàng】很大的夸克【kè】和反夸克。它【tā】们形成了一个背景，在【zài】这个背景下【xià】，几【jǐ】乎不可能从正在寻找的奇异【yì】希格斯玻色【sè】子衰变中【zhōng】找到粒子。

应【yīng】该通过将加速器设【shè】计为大型【xíng】强【qiáng】子对【duì】撞机的【de】后继者【zhě】，从【cóng】根本上【shàng】改进对可能的希【xī】格斯衰变到【dào】这些状态【tài】的检测：CLIC(紧凑型线性对撞机【jī】)和【hé】 FCC(未来圆形对撞机)。在【zài】这【zhè】两种设备【bèi】中，电子都可【kě】以与它们的反物【wù】质伙伴正电子碰撞(CLIC 专用【yòng】于此类碰撞，而 FCC 也将允许质子和重离子碰【pèng】撞【zhuàng】)。电子和正电子没有【yǒu】内部结构，因【yīn】此奇异的希格斯玻色子衰变【biàn】的背【bèi】景应该【gāi】比大型强子【zǐ】对撞机弱。只有这样【yàng】才能【néng】识别出有【yǒu】价值的信号吗【ma】?

在他们的研【yán】究中，来自 IFJ PAN 的物理学家考虑【lǜ】了 CLIC 和【hé】 FCC 加速器最重要的参【cān】数，并确定了具有四【sì】个美【měi】夸克和反夸克形式的终态的奇异希格斯衰变的概率。为了确保预【yù】测涵盖更广泛【fàn】的模【mó】型组，外来【lái】粒子【zǐ】的质量和【hé】平均寿命被考虑在适当广泛的【de】值范围【wéi】内【nèi】。结【jié】论【lùn】出【chū】人【rén】意料地积极：所有迹象都表明，在未来的电子-正电子对【duì】撞机【jī】中，奇【qí】异的希格斯衰变背景甚至可以从根本【běn】上减【jiǎn】少几个【gè】数量级【jí】，在某些情况【kuàng】下甚至可以【yǐ】忽略不计【jì】。

粒子【zǐ】通信子的存在不仅【jǐn】在【zài】 Hidden Valley 模型中是【shì】可【kě】能的，而【ér】且在标准模型的其他扩展中也是可能的。因此【cǐ】，如【rú】果未来加速【sù】器的【de】探测【cè】器记录下【xià】与克拉科夫研究人员分析的希格斯衰变相对应【yīng】的特【tè】征，这将只【zhī】是理解新【xīn】物理【lǐ】学的第一步。下【xià】一【yī】步将是收集足够多的【de】事件，并确定可以【yǐ】与新物【wù】理学理论模型的预测进【jìn】行比较的主要【yào】衰变【biàn】参数。

“因此，我们工作的主要结论纯粹是实用【yòng】的【de】。我们不确定希格斯【sī】玻【bō】色子衰变中涉及的【de】新物【wù】理粒【lì】子是否【fǒu】属于我们使用【yòng】的【de】隐谷模【mó】型。然而，我们已经将这个【gè】模型视为【wéi】许多其他新物理【lǐ】学提议的代表，并且已【yǐ】经表明，如【rú】果【guǒ】如模型所预测的【de】那【nà】样，希【xī】格斯玻色子衰变【biàn】成奇【qí】异粒子，那么这【zhè】种【zhǒng】现【xiàn】象应该在那些电子和正电子对撞机中完全可【kě】见【jiàn】，这些【xiē】对撞机是计【jì】划【huá】在【zài】不久的将来推出”，Kucharczyk 教授总结道。

相关研究由波兰国家科学中心的 OPUS 资助资助。