最受瞩目的基本粒子，寿命仅2.1×10⁻²²秒

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Måka，头图来自：CERN

一

在粒子物理学标准模型的“中心”是一种格外不寻常的粒子。它就是希格斯玻色子。

希格斯玻色子在宇宙诞生的最初时刻便发挥了关键作用。它的无定向场渗透到所有空间中，诱使转瞬变化的粒子放慢脚步并迸发出质量。如果没有希格斯场，就不会有稳定的结构，也就不会有如今的宇宙。

 粒子物理学标准模型。| 图片来源：Daniel Dominguez / CERN

希格斯玻色子也是标准模型中最后一个被证实的基本粒子。直到2012年，经过多年的努力，科学家终于在LHC（大型强子对撞机）的实验中确认发现了它的身影。

希格斯玻色子在许多方面都表现出了奇异的特点，它身上其实还有许多未解之谜。

 关于希格斯玻色子的知道和不知道。｜图片来源：Science and Technology Facilities Council via Flickr under CC BY

其中，测量希格斯玻色子的寿命，也就是回答“希格斯粒子在衰变之前能‘存活’多久”的问题，在粒子物理学家的愿望清单上绝对名列前茅，因为寿命的实验值将使他们不仅能够更好地理解粒子的性质，而且还能发现该值是否与理论预测值相符。

近日在一项新研究中，科学家尝试用实验回答了这个关键问题。CMS（紧凑μ子线圈）合作组报道了迄今最精确的希格斯玻色子寿命的测量值，确认了希格斯玻色子确实具有极短的寿命。

二

和其他大多数基本粒子一样，希格斯玻色子非常不稳定。理论认为，它只能存在极短的时间，很快便会衰变为其他粒子。根据标准模型的预测，这种粒子的寿命约为1.6×10⁻²²秒。

希格斯玻色子寿命的实验测量非常重要。它使我们能够了解它与其他粒子的相互作用的强度，并提供一个窗口窥探超越标准模型的物理学。

比如，一个比理论计算值更短的测量值可能暗示着，粒子具有一些未知的新的衰变可能，或许是衰变为某些未被发现的新粒子。而如果测量发现比理论值更长的寿命则说明，这种粒子比标准模型预测的更稳定，这相当于在说，它与其他粒子的相互作用比预测的要弱。

但要测量希格斯玻色子的寿命并不容易。首先，它的预测寿命非常短，完全没有办法进行直接测量。

一种可能的解决方案需要测量粒子的一种相关性质，它也被称为质量宽度（mass width），这一性质与寿命成反比，代表了粒子标称质量125GeV附近的可能质量的较小范围。但对希格斯粒子来说，预测的质量宽度也很小，实验测量也非易事。

“幸运”的是，量子物理学为科学家开辟了另一条路。除了产生质量等于或接近其标称值之外，像希格斯玻色子这样的短寿命粒子也可以产生比标称值大得多的质量，尽管这种情况发生的概率比较低。这种效应是海森堡不确定性原理带来的一种量子世界的怪异现象。

将这些大质量的希格斯玻色子（也就是所谓的离壳粒子）的产生率与标称或接近标称的“在壳”希格斯玻色子的产生率进行比较，就可以用来得到希格斯玻色子的质量宽度，从而进一步得出其寿命。

这就是CMS团队在他们的新研究中采用的方法。团队通过分析CMS实验在LHC第二次运行期间收集的数据，特别是关于希格斯玻色子转化为两个Z玻色子的数据，Z玻色子自身再转化为4个带电轻子，或两个带电轻子加两个中微子，研究人员首次获得了产生离壳希格斯玻色子的证据。

从这个只有千分之一的可能是统计侥幸的结果中，团队得出，希格斯玻色子的寿命为2.1×10⁻²²秒，其上下的不确定性为(+2.3/-0.9)×10⁻²²秒。这是迄今为止最精确的希格斯玻色子寿命的测量值。

尽管精度仍有限，但它实际上和标准模型的预测非常吻合，说明该粒子应该确实具有非常短的寿命。

三

研究结果证实，这种借助离壳粒子的方法为测量希格斯玻色子寿命提供了非常好的途径。CMS团队认为，这是探索希格斯粒子寿命的道路上的一座里程碑。

未来几年里，随着下一次LHC运行数据的收集，以及新的分析思路出现，测量精度有望进一步提高。我们对这种粒子甚至宇宙的认识也将更进一步。

参考来源：

https://home.web.cern.ch/news/news/physics/cms-homes-higgs-bosons-lifetime

https://cms.cern/news/life-higgs-boson

https://www.symmetrymagazine.org/article/the-secret-life-of-higgs-bosons

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Måka