物理学又一乌云消散，希格斯玻色子衰变为μ子新证据出现，或超越标准模型

克雷西
2025-08-26
15:40:25

来源：量子位

克雷西 发自 凹非寺
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粒子是如何获得质量的？人们对这个问题有更深入的理解了。

欧洲核子研究中心ATLAS团队的科学家，发现了希格斯玻色子衰变为μ子的有力证据。

与此同时，ATLAS团队还提升了对希格斯玻色子衰变为Z玻色子和光子过程的探测灵敏度。

据介绍，ATLAS团队的这两项成果难度如同大海捞针。

而之所以能够取得成功，主要归功于大型强子对撞机（LHC）提供的大量数据。

在统计学上，ATLAS团队的发现已经初步露出了可能偏离标准模型预言的迹象。

Science Daily评价称，这两项发现或许能揭示超越标准模型的物理规律。

发现希格斯玻色子衰变为μ子证据

ATLAS的实验，目的就是回答“希格斯相互作用与标准模型描述的是否一致，并且是所有基本粒子质量的唯一来源”等根本性问题，H→μμ衰变是验证这些理论预测的关键一环。

H→μμ衰变（希格斯玻色子衰变为一对μ子）是一种极其罕见的物理过程，大约每5000次希格斯衰变中才发生1次。

尽管其稀有，但它提供了研究希格斯玻色子与第二代费米子相互作用的最佳机会，对于阐明不同代粒子质量起源至关重要。

当然，鉴别这种罕见衰变是一项巨大的挑战，因为它的信号很容易被通过其他过程产生的数千对μ子（即“背景”）所掩盖。

为解决这个问题，ATLAS实验利用了LHC不同运行阶段收集的数据，包括前三年Run-3数据与全部Run-2数据集。

他们还开发了复杂的背景过程建模方法，根据特定的希格斯玻色子产生模式对记录事件进行分类，并进一步改进了事件选择技术，以最大限度地发现真实信号。

通过结合Run-2和Run-3数据集，ATLAS已经发现了H→μμ衰变的证据，其相对于纯背景假设的观测显著性达到3.4个标准差。

这意味着该结果是统计波动的可能性低于三千分之一。

（标准差即方差的算术平方根，该情境下用标准差的倍数能够更准确地反应数据偏离平均值的程度）

H→Zγ衰变则是希格斯玻色子衰变为Z玻色子和光子的过程，其中Z玻色子会进一步衰变为电子对或μ子对。

这同样是一个稀有衰变，通过虚拟粒子的“中间环”进行，如果新的粒子对这个环做出贡献，则这个过程可能提供超越标准模型物理的线索。

与H→μμ衰变类似，识别H→Zγ衰变是一项巨大的挑战，主要的困难在于Z玻色子仅在大约6%的时间内衰变为可探测的轻子，这大大降低了其信号的可观测性。

与此同时，LHC Run 3的复杂运行条件进一步加剧了挑战，包括更多的重叠碰撞（pile-up），这使得粒子喷注更容易模拟真实光子，从而增加了识别H→Zγ信号的难度。

同样是结合Run-2和Run-3数据集，以及建模方法和事件分类手段，ATLAS解决了这些难题。

最新的ATLAS结果报告了相对于纯背景假设的观测过剩为2.5个标准差，这一结果提供了迄今为止测量H→Zγ衰变分支比的最严格预期灵敏度。

了解完ATLAS取得的最新成果，接下来补充介绍一些背景知识。

什么是希格斯玻色子？

不妨就从这次成果的主角希格斯玻色子说起。

希格斯玻色子又名“上帝粒子”，由诺贝尔物理学奖得主彼得·希格斯提出。

它是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，不带电荷、色荷，极不稳定，生成后会立刻衰变。

“上帝粒子”这个名字的来历也颇具戏剧性，美国物理学家Leon Lederman在1993年与科普作家Dick Teresi合著的科普书当中本想用“God-damn Particle”（该死的粒子）来称呼希格斯玻色子，来吐槽其难以被实验捕获。

但出版社担心这个词带有粗俗意味，会影响市场推广，于是把书名改成了更吸睛也更具话题性的 “God Particle”。由此，“上帝粒子”便流传开来。

2012年6月22日，欧洲核子研究组织发表声明，将要召开专题讨论会与新闻发布会。

7月4日，发布会正式宣布发现了新粒子，物理学者认为这两个粒子可能就是希格斯玻色子。

直到2013年3月14日，该组织发布新闻稿表示，先前探测到的新粒子正是希格斯玻色子。

回到概念上来，希格斯玻色子是希格斯场（1964年提出）的振动。

希格斯场是一种假定遍布于全宇宙的量子场。按照标准模型的希格斯机制，某些基本粒子因为与希格斯场之间相互作用而获得质量。

在标准模型里，W玻色子与Z玻色子通过在希格斯场中应用希格斯机制而获得质量，费米子借着应用希格斯机制于希格斯场与费米子场的汤川耦合而获得质量。只有希格斯玻色子不倚赖希格斯机制获得质量。

那么，标准模型又是什么呢？

标准模型是粒子物理学中一套描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。

其中包含费米子及玻色子：费米子为拥有半奇数的自旋并遵守泡利不相容原理（没有相同的费米子能占有同样的量子态）的粒子；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不相容原理。

△图作者：Yinweichen（CC BY-SA 4.0）

它们通过四类玻色子来传递相互作用，光子负责电磁相互作用，W与Z玻色子负责弱相互作用，胶子负责强相互作用，而希格斯玻色子则通过自发对称性破缺机制赋予其他粒子质量。

不过，ATLAS这次的最新发现，已在统计上初步露出了可能偏离标准模型预言的迹象。

未来，ATLAS还将继续探索超越标准模型的新物理规律。

参考链接：
[1]https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250825015657.htm
[2]https://indico.in2p3.fr/event/33627/contributions/153132/

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