研究人员追踪了希格斯玻色子衰变为其他粒子的第五种也是最显著的方式，这一发现为多年来对希格斯玻色子的探索画上了句号。这一发现为研究人员提供了一条研究宇宙物理规律的新途径。
在大型强子对撞机(Large Hadron Collider)进行的实验中，包括普林斯顿大学(Princeton University)研究人员在内的一个团队发现了一条寻找已久的路径，希格斯玻色子通过这条路径衰变为另外两种粒子，即底部夸克。希格斯玻色子是由另一种叫做Z玻色子的粒子产生的。希格斯玻色子衰变为底部的夸克喷流(蓝色所示)，而Z玻色子随后衰变为电子和正电子(红色所示)。
普林斯顿大学(Princeton University)的物理学家领导了两个主要团队之一，他们今天宣布，通过希格斯粒子衰变为两个被称为底夸克的粒子，发现了希格斯粒子。在能够识别希格斯粒子的五种主要信号通路中，这个通路是最后一个被检测到的。
“我们在预期的地方发现了希格斯玻色子，现在我们可以利用这个新途径来研究希格斯玻色子的性质，”普林斯顿大学物理学教授、该研究小组负责人詹姆斯奥尔森(James Olsen)说。“从一开始，这就是一项真正的合作努力，看到人们齐心协力的努力得到扩大，令人兴奋。”
长期以来，希格斯粒子一直备受关注，因为它证实了有关物质本质的理论。由于玻色子只存在约七分之一秒，研究人员使用该粒子的后代作为其存在的证据。
这些子粒子分散在欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机(Large Hadron Collider)上两个质子碰撞产生的粒子簇中。2012年，通过另外三种衰变模式首次观测到希格斯粒子。
根据奥尔森的说法，在这些谱系或衰变模式中，衰变为两个底夸克的现象最为常见，约占希格斯玻色子衰变事件的60%。
但在大型强子对撞机上，底部的夸克图案是最难确定追溯到希格斯粒子的，因为许多其他粒子也能释放底部的夸克。
夸克是质子的微小组成部分，而质子本身就是原子的组成部分。在解释物质及其相互作用的“标准模型”中，底部的夸克是组成粒子群的六种夸克之一。
分辨到底哪个底夸克来自希格斯粒子，哪个来自其他粒子，一直是大型强子对撞机的两个希格斯探测器面临的主要挑战。探测器独立运行，由不同的科学家团队运行。
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在大型强子对撞机的实验中，两个质子(q)相撞，形成一个W或Z玻色子(W/Z)和一个希格斯玻色子，然后衰变为两个底部的夸克。
一旦产生，这些底部的夸克就会分裂成粒子流，使得它们很难追溯到原始的母粒子。由于这种背景噪音，研究人员需要比其他途径更多的数据来确保他们的发现。
这两种探测器都善于发现电子、光子和介子等粒子，但夸克的挑战更大。夸克的性质决定了它不是自由粒子。相反，它们被束缚并以其他粒子的形式出现，如介子和重子，或者迅速衰变。
奥尔森说:“这是一件棘手的事情，因为你必须收集所有这些喷射流，并测量它们的性质，以计算衰变为喷射流的物体的质量。”
这两个探测器体积庞大，结构复杂，位于大型强子对撞机(LHC)隧道的尽头，在那里质子被加速，并以高能量撞击在一起。这些结构包含了几层更小的探测器，像洋葱一样排列。
该设备检测洋葱每一层的粒子，以重建它们的路径。这使得研究人员可以用一种类似于追踪烟火光的轨迹回到第一次爆炸发生的地方的方式来追踪一个粒子回到其来源的路径。通过遵循这些路径，研究人员可以确定希格斯粒子在质子-质子碰撞中何时何地首次形成。
“希格斯-底-夸克衰变很重要，因为它是最频繁的衰变，所以对它的速率进行精确测量，可以告诉我们很多关于这种粒子的性质，”普林斯顿大学(Princeton)副研究学者克里斯托弗帕尔默(Christopher Palmer)说。
普林斯顿大学的其他研究人员还包括物理学研究生史蒂芬·库伯斯坦(Stephane Cooperstein)和2018届本科生简·奥弗曼(Jan Offerman)。该团队还包括佛罗里达大学和费米实验室的合作者，以及来自意大利、瑞士和德国的团队。
探测底夸克衰变模式的主要挑战是由非希格斯事件产生的背景底夸克的数量。除了从碰撞中收集更多的数据，研究人员还探索了希格斯玻色子产生底部夸克的独特方式。
奥尔森10年前就开始着手这项挑战，那时LHC还没有启动，物理学家们还在电脑上进行模拟实验。大约在那个时候，奥尔森了解到一项理论研究，该研究表明，有可能找到由希格斯玻色子反冲到另一个粒子(如Z玻色子或W玻色子)而产生的底夸克。
奥尔森说:“在那个频道进行搜索，这是以前没有人有过的想法。唯一的问题是，这在实验上是否可行，是否真的会有回报。”
奥尔森说，看到这项工作取得成果是令人兴奋的。“这是一个非常令人满意的时刻。”
普林斯顿大学对大型强子对撞机研究的贡献是由美国能源部和国家科学基金会资助的。