今天在欧洲核子研究中心，大型强子对撞机合作项目ATLAS和CMS联合宣布发现希格斯玻色子在衰变时转变为底部夸克。据预测，这是希格斯玻色子衰变的最常见方式，但由于背景过程与细微信号极为相似，因此很难分离出这种信号。这一新的发现是在探索希格斯粒子如何使基本粒子获得质量方面迈出的一大步。
经过数年的技术改进和逐步纳入更多数据，两项实验最终都发现了希格斯玻色子衰变为底部夸克的证据，这一证据的统计意义超过了声称发现所需的5西格玛阈值。两个团队都发现他们的结果与基于标准模型的预测一致。
费米国家加速器实验室的杰出科学家帕蒂·麦克布莱德说:“希格斯玻色子是我们宇宙的一个组成部分，从理论上讲，它赋予了所有基本粒子质量。”麦克布莱德最近当选为CMS实验的副发言人。“但是我们还没有确切地证实这个磁场是如何与我们所知道的所有粒子相互作用的，或者它是否与暗物质粒子相互作用，而暗物质粒子仍有待探测。”
希格斯玻色子只在大约十亿次大型强子对撞机碰撞中产生一次，而且在它们的能量转化为其他粒子级联之前，它们只存在了极小的几秒钟。由于无法直接看到希格斯玻色子，科学家们利用这些次级粒子衰变产物来研究希格斯玻色子的性质。自2012年发现希格斯玻色子以来，科学家们只能识别出所有预测的希格斯玻色子衰变的大约30%。
希格斯玻色子研究的重中之重
“我们预期的希格斯粒子衰变为最常底夸克,但至关重要的是,测量它,“Young-Kee Kim说,路易块杰出服务教授在物理和芝加哥大学物理系工作底夸克衰变的希格斯与阿特拉斯实验在过去。“我们现在已经看到了希格斯玻色子的所有主要衰变模式，这些模式都是由当前的粒子物理学理论——标准模型预测出来的。这标志着粒子物理学的一个非常重要的时刻!”
美国能源部布鲁克海文国家实验室的物理学家维维安娜·卡瓦列尔(Viviana Cavaliere)参与了阿特拉斯星系的实验，她表示，由于希格斯玻色子的衰变速度非常快，在过去几年里，寻找正在衰变为底夸克的希格斯玻色子一直是首要任务。
“理论预测60%的希格斯玻色子会衰变为底夸克，”卡瓦列尔说。“发现并理解这个通道至关重要，因为它为我们研究希格斯粒子的行为提供了可能性，比如它是否能与新发现的粒子相互作用。”
希格斯场被理论化为与所有质量大的粒子相互作用的标准模型，最好的理论科学家必须解释亚原子粒子的行为。
“然而，仍然存在一些问题，这些问题无法用标准模型来回答，”Kim说。“例如，希格斯玻色子是否负责为暗物质粒子(宇宙中物质的主要形式)提供质量?”
金的团队目前正在研究，在大型强子对撞机中产生的希格斯玻色子是否有一部分会衰变为暗物质粒子。
一个“微妙而迷宫般的”挑战
尽管这种衰变是最常见的路径，但在实验数据中发现它可不是在公园里散步。在大型强子对撞机中，每一次质子与质子的碰撞都会产生亚原子的副产品，其中最常见的一种是底部夸克。这些底部的夸克然后迅速衰变成其他种类的粒子，在探测器中留下大量的粒子簇。将这些粒子簇射追溯到两个底部夸克(然后找出哪个来自希格斯玻色子)是一项极其精细和复杂的工作。
石溪大学(Stony Brook University)物理学家、希格斯-to-底夸克分析小组负责人之一贾平托·皮亚克迪奥(Giacinto Piacquadio)表示:“在实验数据中识别和分离底夸克是一个巨大的挑战，需要精确的探测器校准和复杂的标记功能来识别b-夸克。”“我们能做这些分析，多亏了之前多年的工作。”
为了发现这一过程，ATLAS和CMS对LHC第一次和第二次运行的每个组合数据进行协作，然后对数据应用复杂的分析方法。
参与CMS分析的普林斯顿大学(Princeton)科学家克里斯•帕尔默(Chris Palmer)表示:“仅仅找到一个看上去像两个来自希格斯玻色子的底夸克的事件是不够的。”“我们需要分析成千上万的事件，然后才能阐明这个过程，这个过程发生在一座有着类似背景事件的大山之上。”
帕尔默表示，这些具有欺骗性的背景事件使得仅凭孤立的底夸克几乎无法进行分析。
帕尔默说:“幸运的是，有一些希格斯粒子的产生机制能够产生可识别的副产品。”“我们用这些粒子来标记潜在的希格斯粒子，并将它们与其他粒子区分开来。所以我们在这个分析中得到了二对一的结果，因为我们不仅发现了希格斯玻色子衰变为底夸克，而且还了解了它的产生机制。”
下一步是提高这些测量的精度，以便科学家能够以更高的分辨率研究这种衰变模式，并探索希格斯玻色子可能隐藏的秘密。
除了Kim之外，芝加哥大学阿特拉斯小组还包括其他20名科学家和工作人员，包括物理学名誉教授Jim Pilcher;梅尔文·肖彻，伊莱恩·M.和塞缪尔·d·克尔斯滕·Jr.杰出的物理学服务教授;物理学教授马克·奥利亚;以及物理学助理教授大卫·米勒。
芝加哥大学共同管理着费米国家加速器实验室，该实验室是参与CMS实验的美国基地。阅读更多关于费米实验室和大型强子对撞机的信息。
美国资助:能源部科学办公室，国家科学基金会