希格斯玻色子：量子宇宙的关键
希格斯玻色子是一种由物理学的标准模型在近50年前预测的亚原子粒子，它与希格斯场相互作用，赋予其他基本粒子质量，从而解释了物质的起源和宇宙的结构。希格斯玻色子的存在是标准模型的核心预言之一，也是物理学界长期追寻的目标。2012年，欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）上使用的ATLAS和CMS实验宣布成功探测到希格斯玻色子的迹象，这一突破性的发现为诺贝尔物理学奖的颁发提供了依据，也拓展了我们对奇异的量子宇宙的理解。
希格斯玻色子的寿命很短，很快就衰变成质量更小的粒子，比如两个光子（光粒子）。利用标准模型，科学家能够预测希格斯玻色子可以衰变成的不同的基本粒子，以及这些衰变的相对频率。其中，希格斯玻色子衰变成两个光子是相对“常见”的一种衰变模式，其出现的概率约为0.2%。然而，科学家也对一些罕见的衰变模式感兴趣，因为它们可能揭示一些超越标准模型的新物理现象。
最近，ATLAS和CMS实验发现了一种罕见的希格斯玻色子衰变的证据，其中这种亚原子粒子衰变成一个光子和两个轻子，一种可以带电或中性的基本粒子。电子和类电子，一种类似的亚原子粒子，是两种带电轻子的例子。具体来说，他们发现了希格斯玻色子可以衰变成一个光子和一对电子，或者一个光子和一对带相反电荷的类电子的证据。这种类型的衰变的出现概率非常低，约为0.00002%。
在这种类型的衰变中，希格斯玻色子在其极短的寿命之后，迅速变成一个光子和科学家称之为“虚光子”的东西。这个“虚光子”，也被称为“离壳光子”，然后立即变成像这种情况下的两个轻子。这个“虚光子”，有一个非常小的非零质量，而普通的光子是完全没有质量的，ATLAS实验的粒子物理学家詹姆斯·比彻姆说。这两个轻子“非常靠近地撞击了我们的量能器，”比彻姆补充说。LHC的量能器是一个能够停止来自粒子碰撞的粒子的工具。当这些粒子被这个工具停止或“吸收”时，科学家可以发现并研究这些粒子。
虽然科学家已经预测了这种类型的衰变应该存在于希格斯玻色子中，但这个新的探测是“这种非常罕见的希格斯玻色子衰变模式的第一个证据的暗示，”比彻姆说。然而，他补充说，这个团队可能要等到他们升级设施，为即将到来的高亮度LHC计划（这将在LHC运行3之后到来。这项研究使用的数据是在LHC的第二次运行期间收集的，这个运行期间从2015年开始，到2018年结束。运行3将于2022年3月开始。）“随着高亮度LHC计划预期产生的大量数据，研究罕见的希格斯玻色子衰变将成为新的常态，”ATLAS的一份声明说。
通过研究这样的罕见衰变，研究人员可以探索超越标准模型的新物理的可能性。标准模型解释了我们物理宇宙的很多事情，但它不包括引力或暗物质，比彻姆说。暗物质，它不发光，也不能被直接观察到，被认为占据了已知宇宙中所有物质的大约80%，但科学家还不知道它到底是什么。暗物质的存在可以解决一些宇宙学的难题，如星系的形成和演化，以及宇宙的加速膨胀。
“我们一直在寻找标准模型的扩展，”他说。“我们必须找到一个窗口或一个通道，从我们的世界进入这个暗物质世界，并进行实验。而其中之一就可能是希格斯玻色子。”比彻姆解释说，“暗物质”包括了超越标准模型的物理。希格斯玻色子可能是连接我们的世界和暗物质世界的桥梁，因为它可以通过一些未知的方式与暗物质粒子相互作用，从而产生一些新的衰变模式。
例如，希格斯玻色子可能会衰变成一对暗物质粒子，这些粒子会逃逸掉对撞机的探测器，只留下一些缺失的能量的迹象。 或者，希格斯玻色子可能会衰变成一些其他的新粒子，这些粒子又会衰变成暗物质粒子和一些标准模型的粒子，这样就会产生一些异常的信号。
现在，不要太兴奋。这篇论文“还没有给我们关于希格斯玻色子进入‘暗物质’的新信息，”比彻姆说。但是“这篇论文证明了我们可以很容易地寻找这样的非常罕见的事情，”他说，这推动了整个搜索的进展。这项发现还需要更多的数据和分析来确认和精确，以排除其他的可能性和误差。 此外，这项发现还需要与其他的实验和理论相一致，以验证其有效性和普适性。