新的研究证实了标准模型对希格斯玻色子新层次的预测

希格斯玻色子是十几年前在大型强子对撞机的探测器中发现的。事实证明，希格斯玻色子是一种很难产生和观测的粒子，以至于尽管时过境迁，人们对它的特性仍然无法准确了解。现在，我们对它的起源有了更多的了解，这要归功于波兰科学院核物理研究所参与的一个国际理论物理学家小组刚刚发表的成果。

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，物理学家们一直试图尽可能精确地了解这种非常重要的基本粒子的特性。由于实验挑战和众多计算障碍，这项任务极其艰巨。

幸运的是，在位于克拉科夫的波兰科学院核物理研究所（IFJ PAN）、位于亚琛的亚琛工业大学（RWTH）和位于慕尼黑附近加兴的马克斯-普朗克物理研究所（MPI）的一群物理学家的努力下，理论研究刚刚取得了重大进展。

希格斯玻色子通常被称为"上帝粒子"，这个绰号来自莱昂-莱德曼的书名。原来的书名"该死的粒子"更无厘头，意在反映人们对难以探测到它的沮丧。出版商选择了一个争议较少的名字，它抓住了希格斯玻色子在粒子物理学中的重要意义：它是解释其他粒子如何获得质量的理论的核心，而质量是我们宇宙结构的一个基本方面。

希格斯玻色子（蓝色）可能是在质子碰撞中通过胶子（黄色）的相互作用产生的。质子由两个上夸克（红色）和一个下夸克（紫色）组成，它们被胶子紧密地结合在一起，以至于在虚拟粒子海（灰色）中可能会出现更大质量的夸克和反夸克，例如美丽夸克，它们的存在也会影响希格斯玻色子的诞生过程。资料来源：IFJ PAN

标准模型是 20 世纪 70 年代构建的一个复杂的理论结构，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介子、tau 和相关的三位一体中微子）以及电磁力（光子）和核力（强相互作用中的胶子，弱相互作用中的 W 和 Z 玻色子）。

希格斯玻色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 年年中宣布。从那时起，科学家们就一直在努力尽可能多地获取有关这种极其重要的粒子的信息。

"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就是特定碰撞的截面。这是因为它为我们提供了信息，让我们知道在某一类型的碰撞中该粒子出现的频率。我们重点研究了在胶子-胶子对撞中希格斯玻色子截面的理论测定。这些碰撞产生了约 90% 的希格斯粒子，大型强子对撞机加速器的探测器已经记录到了希格斯粒子的踪迹"，Rene Poncelet 博士（IFJ PAN）解释道。

Michal Czakon 教授（RWTH）是著名物理学杂志《物理评论快报》（Physical Review Letters）上这篇文章的共同作者，科学家们在该杂志上发表了他们的计算结果："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到某些修正，这些修正由于表面上贡献很小，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地克服数学困难，确定了这些修正。"

高阶修正对于理解希格斯玻色子特性的重要性可以从以下事实中看出：论文中计算出的二级修正表面上很小，但对所寻求的活跃截面值的贡献几乎达到了五分之一。相比之下，三阶修正只占百分之三（但却将计算的不确定性降低到了百分之一）。

这项工作的新颖之处在于考虑到了底夸克质量的影响，从而产生了约百分之一的微小但明显的偏移。值得一提的是，大型强子对撞机对撞的是质子，即由两个上夸克和一个下夸克组成的粒子。质子内部暂时存在质量较大的夸克，如美夸克，是质子中结合夸克的强相互作用的量子性质的结果。

"我们研究小组发现的希格斯玻色子产生的有效截面值与之前在大型强子对撞机的光束对撞中测得的值实际上是一样的，这自然是考虑到了当前计算和测量的不准确性。因此，在我们正在研究的希格斯玻色子形成机制中，似乎看不到新物理学的先兆--至少目前是这样。"

科学家们之所以普遍相信需要新物理学的存在，是因为标准模型无法回答一些根本性的重要问题。为什么基本粒子具有这样的质量？为什么它们会组成家族？宇宙中清晰可见的暗物质是由什么构成的？宇宙中物质多于反物质的原因是什么？标准模型还需要扩展，因为它根本没有考虑到引力这种常见的相互作用。

重要的是，来自 IFJ PAN、RWTH 和 MPI 的理论物理学家的最新成果并没有明确排除伴随希格斯玻色子诞生的现象中新物理学的存在。当开始分析大型强子对撞机逐渐开始的第四个研究周期的数据时，情况可能会发生很大变化。

对新粒子碰撞的观测次数越来越多，可能会缩小测量的不确定性，使希格斯粒子产生的允许截面的测量范围不再与理论定义的范围重合。至于这种情况是否会发生，物理学家们几年后就会知道。现在，标准模型可以感到比以往任何时候都安全--这一事实正慢慢成为大型强子对撞机最令人惊讶的发现。

编译自/ScitechDaily