物理学家接近希格斯玻色子的极短寿命

1.6 x 10 ^-22秒：理论上，这是希格斯玻色子的寿命，希格斯玻色子是亚原子世界中最受追捧的粒子之一。这个时间非常短，以至于在您用来阅读本文的设备发出的光到达您的眼睛之前，数十万亿个希格斯玻色子可能已经存活和死亡。

物理学家们正在关注希格斯粒子在现实世界中的寿命。通过仔细研究欧洲核子研究中心大型强子对撞机 (LHC) 的数据，科学家们将希格斯粒子的寿命缩短至 1.6 x 10 ^-22左右。科学家们之所以能够做到这一点，要归功于 LHC 探测器之一 CMS 提供的数据。他们的工作是一项重大进展——这表明，在发现希格斯玻色子近十年后，关于这种粒子还有相当多的东西需要学习。

“这是一个很好的成就，一个伟大的里程碑，但这只是第一步，”加州 SLAC 国家加速器实验室的粒子物理学家 Caterina Vernieri 说，他过去曾与 CMS 团队合作，但没有参与当前的研究。

希格斯玻色子是许多粒子具有质量的原因，长话短说，这个涉及“量子场”和“对称性破缺”等复杂概念的故事。希格斯玻色子最早在 20 世纪 60 年代被提出，它的名字来自诺贝尔物理学奖得主、英国物理学家彼得·希格斯，但几十年来科学家一直对它一无所知。

以越来越高的能量将粒子撞击在一起是发现希格斯玻色子的关键，而大型强子对撞机 (LHC) 让这一发现成为可能。大型强子对撞机中的粒子在法国和瑞士边境的 17 英里长的环中旋转。大型强子对撞机于 2008 年上线。2012 年，在那里工作的物理学家发现了可能是希格斯玻色子的痕迹；到 2013 年底，他们确定他们的结果不仅仅是随机的统计噪音。

希格斯玻色子的搜寻已经结束。但科学家发现一种粒子或其他东西并不意味着他们了解了它的所有特性。

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在发现希格斯玻色子的几十年前，理论物理学家预测了希格斯玻色子的许多特性。如果这些理论预测与科学家最终发现的结果相符，那么这将成为希格斯玻色子符合现代粒子物理学理论——即所谓的标准模型的额外证据。这将有助于科学家更多地了解宇宙在最小尺度上是如何运转的

但科学家们正在努力研究那些无法向世界展现的事物。像希格斯粒子这样的粒子，除了尺寸微小之外，可能只会在极短的时间内显露出来，然后就会衰变成一堆其他粒子。

“希格斯玻色子的寿命极短，”维尼里说。“所以当我们在实验中产生希格斯玻色子时，我们实际上并没有测量希格斯玻色子，也没有看到希格斯玻色子，我们看到的是它衰变成的粒子的碎片。”

因此，CMS 科学家仔细研究了 2015 年至 2018 年期间进行的 LHC 实验的数据。通过观察希格斯玻色子衰变成的粒子，他们可以回溯并找到希格斯玻色子可能具有的质量范围。由于一种称为不确定性原理的量子特性，该范围与粒子的寿命成反比——这使得物理学家能够根据前者计算后者。

根据他们的计算，希格斯玻色子的寿命介于 1.2 x 10 ^-22秒和 4.4 x 10 ^-22秒之间。这是迄今为止对希格斯玻色子寿命最精确的估计，与理论家预测的 1.6 x 10 ^-22相符。

但对于某些物理学来说，它还不够精确。

例如，希格斯玻色子衰变成一种目前未知的奇异粒子，这是有可能的，标准模型无法解释的。这会影响希格斯玻色子的寿命——但影响非常微妙，甚至连这种计算都无法检测到。

“这将是寿命值的一个非常小的变化，”Vernieri 说。“所以我们确实需要非常精确地测量寿命。”

幸运的是，粒子物理学家认为他们可以在这方面做得更好。“随着下一次 LHC 运行的数据和新的分析思路，测量精度有望在未来几年内得到提高，”CMS 物理学家、该项目背后的物理学家之一 Pascal Vanlaer 在一份声明中表示。

根据计划，下一次运行的第一次运行将在不久的将来进行。自 2018 年以来，大型强子对撞机已关闭了很长一段时间，恰如其分地称为“第二次长期关闭”。在此期间，对撞机和 CERN 周围的设施经历了一系列升级。由于 COVID-19 导致时间表中断，对撞机目前定于 2022 年 2 月再次启动。

关于希格斯玻色子，我们还有很多事情尚不明确——从它是如何产生的，到它如何与其他粒子反应，再到它如何与自身相互作用。要确定这些特征，即使是大型强子对撞机也可能不够灵敏。

“在大型强子对撞机上，我们每发生十亿次碰撞就会产生一个希格斯玻色子，”维尼里说，而且，要想看到希格斯玻色子，通常就意味着要看遍整个粒子海洋。“这是一个非常具有挑战性的环境，要非常准确地研究粒子的产生，就非常有挑战性了。”

维尼耶里说，关键在于创造一个更清洁的环境，以便更精确地研究希格斯玻色子。也许，这就是 LHC 的继任者之一的任务。