作者:惠特尼·克莱文，加州理工学院 大型强子对撞机上的紧凑μ子螺线管实验
信用:CERN/CMS 希格斯玻色子在2012年一夜成名，当时它最终在位于瑞士日内瓦的欧洲粒子物理研究所大型强子对撞机(LHC)产生的一堆其他粒子中被发现
这一发现具有里程碑意义，因为希格斯玻色子具有赋予其他基本粒子质量的特殊性质，而希格斯玻色子此前只是被理论化了
在碰撞粒子的碎片中，这也是非常罕见和难以识别的
加州理工学院的物理学家在希格斯玻色子的发现中发挥了重要作用，这一结果为理论物理学家彼得·希格斯赢得了2013年诺贝尔物理学奖，现在他们继续在罕见的希格斯玻色子过程中取得重大发现
今年夏天，粒子物理学家第一次使用由LHC的紧凑型μ子螺线管(CMS)实验收集的数据，发现了希格斯玻色子衰变为一对称为μ子的基本粒子的证据
μ子是电子的一个更重的版本，μ子和电子都属于一类被称为费米子的粒子，正如被广泛接受的称为标准模型的粒子模型中所描述的那样
标准模型将所有粒子分为费米子或玻色子
一般来说，费米子是所有物质的组成部分，玻色子是力的载体
μ子也被称为第二代粒子
电子等第一代费米子粒子是最轻的粒子；第二代和第三代粒子可以衰变为第一代粒子
这项新发现代表了希格斯玻色子与第二代费米子相互作用的第一个证据
此外，这一结果进一步证明了希格斯粒子对费米子对的衰变率与费米子质量的平方成正比
这是希格斯理论的一个关键预测
有了更多的数据，LHC实验有望证实希格斯粒子确实赋予了基本粒子质量
“这种测量的重要性在于，我们正在探索希格斯玻色子参与的罕见过程，我们正处于希格斯精密物理研究体系中，任何偏离标准模型预测的情况都可能让我们指向新的物理，”加州理工学院尚一陈物理学教授玛丽亚·斯皮普鲁(Maria Spiropulu)表示
科学家们分析了LHC另一台仪器——阿特拉斯(环形LHC仪器)——的数据，也发现了希格斯玻色子衰变为μ子的确凿证据
这两个实验的结果在2020年8月的第40届国际高能物理会议上公布
“我们需要更多的数据和巧妙的分析方法来证实我们的结果，但这是我们第一次看到希格斯玻色子衰变为两个μ子的证据，”艾琳·杜塔(MS '20)说，她是加州理工学院CMS团队成员和斯皮罗普卢实验室的研究生
这一结果从实验上证实了粒子物理标准模型的预测是准确的
杜塔说:“即使与我们的模型稍有偏差，也会告诉我们发生了其他事情，但是到目前为止，标准模型仍然是稳定的。”
这一发现将最终帮助科学家更好地理解希格斯玻色子是如何赋予费米子质量的
希格斯玻色子可以被认为是希格斯场的抖动或激发
希格斯场就像一种粘稠的糖浆，当粒子穿过它时，它们就获得了质量；粒子穿过磁场的速度越慢，它们就越重(这个概念的隐喻说明见视频)
“我们想了解我们宇宙中质量的起源，”加州理工学院CMS团队成员南路说，他是斯皮罗普卢实验室的博士后学者
“希格斯玻色子是理解这一机制的实验工具，也可能是发现新物理的把手
我们不能系统地观察希格斯玻色子或其他基本粒子，除非它们在高能粒子碰撞中表现出来，但它们是我们宇宙的基本组成部分，”卢说
加州理工学院的团队通过寻找希格斯玻色子对这一新发现做出了贡献，希格斯玻色子是由一种特殊的机制产生的，在这种机制中，两种叫做夸克的粒子同时产生(夸克是另一种费米子)
这个过程特别有趣，因为两个夸克提供了不同的信号来帮助识别希格斯玻色子
卢发展了探测方法，用CMS的灵敏度搜索不同质量的希格斯玻色子，从而提高了发现结果的可信度
杜塔致力于展示一种先进的人工智能方法工具的力量，这种工具被称为深度神经网络，用于分析LHC数据
杜塔和卢都帮助得出了最终的灵敏度结果
前加州理工博士后学者朱塞普·帕塔(Joosep Pata)现在是爱沙尼亚国家化学物理和生物物理研究所的教员，他开发了新的方法来加速该项目中使用的复杂计算分析
“探索希格斯玻色子的特性相当于寻找我们知道必须存在的新物理，”斯皮罗普卢说
“我特别为南、艾琳、朱塞普和整个加州理工学院CMS团队所做的工作感到骄傲，他们的才华、多样性和成果在一场盛大的国际合作中熠熠生辉
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