理论物理学家发现希格斯玻色子似乎不包含任何新物理学的预兆
十几年前，希格斯玻色子在大型强子对撞机的探测器中被发现。事实证明，这是一种非常难以产生和观察的粒子，尽管时间流逝，但其特性仍然无法令人满意地准确了解。现在，由于波兰科学院核物理研究所参与的国际理论物理学家小组刚刚发表的成果，我们对它的起源有了更多的了解。该研究发表在《物理评论快报》杂志上。
科学界一致认为，大型强子对撞机 (LHC) 的最大发现是著名的希格斯玻色子。十二年来，物理学家们一直在努力尽可能准确地了解这种非常重要的基本粒子的性质。这项任务极其困难，因为既有实验挑战，又有众多计算障碍。
幸运的是，得益于来自克拉科夫波兰科学院核物理研究所 (IFJ PAN)、亚琛工业大学 (RWTH) 和慕尼黑附近加兴马克斯普朗克物理研究所 (MPI) 的一组物理学家的努力，理论研究刚刚取得重大进展。
标准模型是一个复杂的理论结构，于 20 世纪 70 年代构建，用于连贯地描述目前已知的物质基本粒子（夸克，以及电子、μ 子、τ 子和相关的中微子三位一体）和电磁力（光子）和核力（强相互作用时的胶子，弱相互作用时的 W 和 Z 玻色子）。
标准模型创建过程中的锦上添花之处在于，借助大型强子对撞机发现了希格斯玻色子，这种粒子在赋予其他基本粒子质量的机制中起着关键作用。希格斯玻色子的发现于 2012 年年中公布。从那时起，科学家们一直在努力获取有关这种至关重要的粒子的尽可能多的信息。
“对于物理学家来说，与任何基本粒子或核粒子相关的最重要参数之一是特定碰撞的截面。这是因为它为我们提供了有关我们可以预期粒子在某种类型的碰撞中出现的频率的信息。我们专注于在胶子-胶子碰撞中对希格斯玻色子截面的理论测定。它们负责产生大约 90% 的希格斯粒子，其存在的痕迹已在 LHC 加速器的探测器中记录下来，”Rene Poncelet 博士（IFJ PAN）解释说。
论文合著者 Michal Czakon 教授（亚琛工业大学）补充道：“我们工作的本质是希望在确定希格斯玻色子产生的有效截面时考虑某些修正，这些修正由于其贡献似乎很小，通常会被忽略，因为忽略它们会大大简化计算。这是我们第一次成功克服数学困难并确定这些修正。”
高阶修正对于理解希格斯玻色子的特性具有重要意义，这一点可以从以下事实中看出：本文计算的二次修正看似很小，却对所寻求的有效截面值贡献了近五分之一。相比之下，三阶修正为 3%（但将计算不确定性降低到仅 1%）。
这项研究的创新之处在于考虑了底夸克质量的影响，这导致了约 1% 的微小但明显的变化。值得一提的是，LHC 碰撞的是质子，即由两个上夸克和一个下夸克组成的粒子。质子内部质量较大的夸克（如美夸克）的暂时存在，是质子中结合夸克的强相互作用的量子性质的结果。
“我们小组发现的希格斯玻色子产生的有效截面值与 LHC 上之前光束碰撞中测量到的值几乎相同，这自然考虑到了当前的计算和测量误差。因此，至少目前看来，在我们正在研究的希格斯玻色子形成的机制中，似乎没有新物理的先兆，”Poncelet 博士总结了团队的工作。
科学家普遍认为需要新物理学，这是因为标准模型无法回答许多根本性的重要问题。为什么基本粒子有它们各自的质量？为什么它们会形成家族？暗物质是由什么构成的，它在宇宙中清晰可见？宇宙中物质比反物质占主导地位的原因是什么？标准模型也需要扩展，因为它根本没有考虑引力这种常见的相互作用。
重要的是，IFJ PAN、RWTH 和 MPI 理论物理学家的最新成果并未明确排除希格斯玻色子诞生时伴随的现象中存在新物理学。当大型强子对撞机第四轮研究逐渐启动时，数据可能会发生很大变化。
随着对新粒子碰撞的观测越来越多，测量的不确定性可能会缩小，从而使测量的希格斯粒子产生截面范围不再与理论定义的范围相吻合。物理学家们将在几年内发现这一点。
目前，标准模型比以往任何时候都更安全——而这一事实正慢慢成为 LHC 最令人惊讶的发现。
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