♎️ 🕰️ 💪🏼 希格斯玻色子（翻译） 🏬 😊 🤰🏼

我们Quantuz（~~试图加入GT社区~~）正在提供有关希格斯玻色子boonparticleadventure.org 网站部分的翻译。在本文中，我们排除了无用的图片（请参阅原始内容的完整版本）。对于对应用物理的最新成就感兴趣的每个人，该材料都将很有趣。

希格斯玻色子角色

希格斯玻色子是标准模型中发现的最后一个粒子。这是该理论的重要组成部分。他的发现有助于证实基本粒子如何获得质量的机制。标准模型中的这些基本粒子是夸克，轻子和传力粒子。

1964年理论

1964年，六位理论物理学家提出了存在一个新场（如电磁场）的假说，该场充满了所有空间并解决了我们对宇宙的理解中的一个关键问题。

无论如何，其他物理学家建立了一种称为“标准模型”的基本粒子理论，该理论提供了惊人的准确性（标准模型的某些部分的实验精确度达到了100亿分之一。这相当于以大约10,000的准确度预测纽约和旧金山之间的距离0.4毫米）。这些努力已经紧密联系在一起。标准模型需要一种获取质量粒子的机制。场论是由彼得·希格斯，罗伯特·布劳德，弗朗索瓦·英格勒，杰拉尔德·高拉尼克，卡尔·哈根和托马斯·基布尔开发的。

玻色子

彼得·希格斯（Peter Higgs）意识到，与其他量子场类似，应该有一个与该新场相关的粒子。它应该具有等于零的自旋，因此应该是玻色子-具有整个自旋的粒子（与费米子不同，自旋是半整数：1 / 2、3 / 2等）。的确，他很快就被称为希格斯玻色子。他唯一的缺点是没有人见过他。

玻色子的质量是多少？

不幸的是，有关预测玻色子的理论并未说明其质量。数年过去了，直到人们清楚希格斯玻色子应该非常重，而且很可能超出了大型强子对撞机（LHC）之前建造的设施。

请记住，根据E = mc ²，粒子的质量越大，创建它所需的能量就越多。

当大型强子对撞机于2010年开始收集数据时，其他加速器的实验表明希格斯玻色子质量应大于115 GeV / s2。在大型强子对撞机的实验过程中，计划寻找质量范围在115–600 GeV / s2或什至高于1000 GeV / s2的玻色子的证据。

每年，通过实验，有可能排除大质量的玻色子。1990年，已知所需质量应大于25 GeV / s2，2003年发现所需质量大于115 GeV / s2

大型强子对撞机的碰撞会产生很多有趣的东西

《纽约时报》的丹尼斯·奥弗贝（Dennis Overbay）谈到重建大爆炸后万亿分之一秒的情况，并说：

“ ……自140亿年前宇宙降温以来，这部分宇宙的[爆炸遗骸]还未见过-生命的春天正在短暂，一次又一次地以各种可能的变化，好像宇宙参加了它自己版本的电影“ Groundhog Day ”一样

。这些“遗迹”之一可能是希格斯玻色子。它的质量必须非常大，并且必须在不到1纳秒的时间内衰减。

公告公告

经过半个世纪的期待，这部戏变得紧张起来。物理学家们在观众席的入口处睡觉，在日内瓦CERN实验室的研讨会上举行。

在地球另一端，距这里一万多英里的地方，在享负盛名的墨尔本粒子物理国际会议上，来自世界各地的数百名科学家聚集在一起，聆听了日内瓦研讨会的播音。

但首先，让我们看一下前提。

7月4日的烟花

2012年7月4日，大型强子对撞机的ATLAS和CMS实验经理展示了他们最新的希格斯玻色子搜索结果。有传言说他们将要报告的不仅仅是报告结果，而是什么？

当然，当给出结果时，进行实验的两个合作伙伴都报告说，他们发现存在质量约为125 GeV的“类似于希格斯玻色子”的粒子的证据。它绝对是一个粒子，如果它不是希格斯玻色子，那么它的模仿是非常高质量的。

证据并不令人怀疑；科学家得出5个sigma结果，这意味着百万分之一的概率小于该概率，即数据仅是统计误差。

希格斯玻色子分解成其他粒子

希格斯玻色子几乎在产生后立即衰变成其他粒子，因此我们只能观察到它的衰变产物。图中显示了最常见的衰减（在我们可以看到的衰减中）：

希格斯玻色子的每个衰减变体都称为“衰减通道”或“衰减模式”。尽管bb模式很常见，但许多其他过程也会产生相似的粒子，因此，如果观察到bb衰减，则很难判断粒子是否由于希格斯玻色子或某种原因而出现。我们说bb衰减模式具有“宽广的背景”。

搜索希格斯玻色子的最佳衰减通道是两个光子和两个Z玻色子的通道。

*( 125 Z- , Z- 91 , 182 , 125 . , , Z- Z- (Z*), .)

Z + Z

Z玻色子也有几种衰减模式，包括Z→e + + e-和Z→µ + + µ-。

当两个Z玻色子都以两种模式（Z→e + e-或Z→μ+μ-）之一衰减时，对于ATLAS和CMS实验，Z + Z衰减模式非常简单。在图中观察到四种希格斯玻色子衰变模式：

最终结果是，观察者有时会看到（除了一些未结合的粒子外）四个μ子，或四个电子，或两个μ子和两个电子。

希格斯玻色子在ATLAS探测器中的外观

在这种情况下，一个“喷射”（jet）下降了，希格斯玻色子上升了，但是它几乎立即崩溃了。每个碰撞图片都称为“事件”。在此链接的源站点上可以看到

一个事件示例，该事件可能以希格斯玻色子可能塌陷的形式出现，即大强子对撞机中两个质子发生碰撞的精美动画形式。在这种情况下，可以产生希格斯玻色子，然后立即衰变成两个Z玻色子，而Z玻色子又将立即衰变（留下两个μ子和两个电子）。

粒子质量机制

正如希格斯，布劳特，恩格勒，杰拉尔德，卡尔和基布尔所说，希格斯玻色子的发现是揭示基本粒子如何获得质量的不可思议的关键。这是什么机制？这是一个非常复杂的数学理论，但是其主要思想可以通过简单的类比形式来理解。

想象一下物理学家参加鸡尾酒会的希伯斯人平静地互相交谈时，希格斯场充满的空间...
在某个时刻，彼得·希格斯走进来，产生了兴奋，在房间里移动，每一步都吸引着一群粉丝...

希格斯教授在进入房间之前能够自由移动。但是进入充满物理学家的房间后，他的速度下降了。一群粉丝放慢了他在房间里的移动；换句话说，他体重增加了。这类似于与希格斯场相互作用时获得无质量粒子的质量。

但是他想要的只是去酒吧！

（类比的想法属于伦敦大学学院的David J. Miller教授，他因对希格斯玻色子的负担得起的解释而获奖-©CERN）

希格斯玻色子如何得到自己的质量？

另一方面，虽然新闻在房间中流传，但他们也组成了一群人，但这一次完全来自物理学家。这样的一群人可以在房间里慢慢走动。像其他粒子一样，希格斯玻色子仅通过与希格斯场相互作用即可获得质量。

希格斯玻色子大众搜索

如果希格斯玻色子在我们发现之前分解成其他粒子，您如何找到它？

如果决定组装自行车并想知道其质量，则应将自行车零件的质量加起来：两个轮子，一个车架，一个方向盘，一个鞍座等。

但是，如果要根据衰变的希格斯玻色子的质量来计算希格斯玻色子的质量，则根本无法将质量相加。为什么不呢

希格斯玻色子衰变粒子的质量加法不起作用，因为与静止能量相比，这些粒子具有巨大的动能（请记住，对于静止的粒子，E = mc ²）这是由于希格斯玻色子的质量比其衰变的最终产物的质量大得多的事实，因此剩余的能量会流向某个地方，即转化为衰变后产生的粒子的动能。相对论告诉我们使用下面的等式来计算衰减后一组粒子的“不变质量”，这将给我们“母体”的质量，希格斯玻色子：

E ² = p ² c ² + m ² c ⁴

从其衰变产物中搜索希格斯玻色子质量

Quantuz注意：这里有一些特殊术语，我们不确定翻译。为了以防万一，我们提供将翻译内容与源代码进行比较。

当我们谈论H→Z + Z *→e + + e- + µ + + µ-的衰变时，上面显示的四种可能的组合可能既来自希格斯玻色子的衰变又来自背景过程，因此我们需要查看指定组合中四个粒子总质量的直方图。

质量的直方图表示我们观察到大量事件，并在获得结果不变质量时记下这些事件的数量。它看起来像直方图，因为不变质量的值分为几列。每列的高度指示不变质量在相应范围内的事件数。

我们可以想象这些是希格斯玻色子衰变的结果，但事实并非如此。

希格斯玻色子数据来自背景

直方图的红色和紫色区域显示了一个“背景”，其中在没有希格斯玻色子参与的情况下预计会发生四轻子事件。

蓝色区域（请参见动画）表示“信号”预测，其中四轻子事件的数量表明希格斯玻色子衰减的结果。该信号位于背景的顶部，因为要获取预测的事件总数，您只需将可能发生的事件的所有可能结果加起来。

黑点表示观察到的事件数，而黑点穿过的黑线表示这些数字的统计不确定性。 125 GeV处数据的增加（请参见下一张幻灯片）是新的125 GeV粒子（希格斯玻色子）的信号。

希格斯玻色子积累时的数据演化动画在原始站点上。

希格斯玻色子信号缓慢上升到背景以上。

希格斯玻色子衰变为两个光子

衰减为两个光子（H→γ + γ）的背景更宽，但是信号却清晰可见。

这是希格斯玻色子衰减成两个光子的不变质量的直方图。如您所见，与之前的图表相比，背景非常广泛。这是因为产生两个光子的过程比产生四个轻子的过程多得多。

红色虚线表示背景，红色粗线表示背景和信号的总和。我们看到数据与125 GeV范围内的新粒子非常吻合。

首次数据缺陷

数据令人信服，但并不完美，并且存在重大缺陷。到2012年7月4日，没有足够的统计数据来确定标准模型预测的粒子（希格斯玻色子）分解成不同的质量较小的粒子集（所谓的“分支比例”）的速率。

“分支比例”仅是粒子将通过给定衰减通道衰减的概率。这些比例由标准模型预测，并通过反复观察相同粒子的衰减来测量。

下图显示了截至2013年我们可以对分支比例进行的最佳测量。由于这些是标准模型预测的比例，因此预期值为1.0。点是电流测量值。显然，大多数错误片段（红线）仍然太大，无法得出严肃的结论。随着接收到新数据，这些段将减少，并且点可能会移动。

如何得知一个人正在观察希格斯玻色子的候选事件？有独特的参数突出显示此类事件。

粒子是希格斯玻色子吗？

尽管发现了一个新粒子的衰变，但直到7月4日它的发生速度仍不清楚。甚至不知道开放粒子是否具有正确的量子数，也就是说，它是否具有希格斯玻色子所需的自旋和奇偶性。

换句话说，在7月4日，粒子看起来像鸭子，但是我们需要确保它像鸭子一样游泳，而像鸭子一样嘎嘎地游泳。

2012年7月4日之后，大型强子对撞机（以及费米实验室的Tevatron对撞机）的ATLAS和CMS实验的所有结果均显示出与上述五个衰减模式的预期分支比例显着一致，并且与预期自旋（等于零）和奇偶校验（等于+1），这是基本的量子数。

这些参数对于确定新粒子是真正的希格斯玻色子还是其他意外粒子非常重要。因此，所有可用的证据都指向标准模型中的希格斯玻色子。

一些物理学家对此感到失望！如果新粒子是标准模型中的希格斯玻色子，则标准模型实质上是完整的。现在所能做的就是以已经打开的内容提高准确性进行测量。

但是，如果新粒子证明是标准模型无法预测的，那么这将打开许多新的理论和测试门。出乎意料的结果总是需要新的解释，并有助于推动理论物理学的发展。

宇宙中的质量来自哪里？

通常，质量的大部分包含在原子中，确切地说，包含在由质子和中子组成的原子核中。

质子和中子由三个夸克组成，它们通过与希格斯场相互作用而获得质量。

但是，夸克的质量贡献了大约10 MeV，大约是质子和中子质量的1％。那么剩余的质量是从哪里来的呢？

事实证明，质子的质量是由于其构成的夸克的动能而产生的。如您所知，质量和能量通过等式E = mc ^2连接。

因此，宇宙中仅一小部分普通物质属于希格斯机制。但是，正如我们将在下一节中看到的那样，如果没有希格斯质量，宇宙将是完全无人居住的，也没有人会发现希格斯机制！

如果没有希格斯场？

如果没有希格斯场，宇宙将是什么样？

这不是那么明显。

当然，没有任何东西会束缚原子中的电子。他们会以光速飞散。

但是夸克是通过强烈的相互作用相互连接的，不能以自由形式存在。夸克的某些束缚态可能已经保留，但是关于质子和中子尚不清楚。

所有这些可能都是类似核的事情。也许所有这些都由于重力而崩溃了。

我们可以肯定的事实是：宇宙将是冷的，黑暗的，毫无生气的。
因此，希格斯玻色子将我们从寒冷，黑暗，无生命的宇宙中解救出来，那里没有人可以打开希格斯玻色子。

希格斯玻色子是否来自标准模型玻色子？

我们确定知道我们发现的粒子是希格斯玻色子。我们也知道它与标准模型中的希格斯玻色子非常相似。但是有两点仍未得到证实：

1.尽管标准模型中的希格斯玻色子是事实，但仍然存在细微的差异，表明存在新的物理学（现在未知）。
2.希格斯玻色子不止一个，还有其他质量。这也表明将出现新的研究理论。

只有时间和新数据将有助于揭示标准模型及其玻色子的纯度或新的令人兴奋的物理理论。

希格斯玻色子（翻译）