粒子世界有新发现
The following article is from 原理 Author 小雨
在我们的宇宙中，充满了不可再分割的基本粒子，比如构建万物的电子和夸克。在粒子物理学中，描述这些基本粒子的属性，以及它们之间相互作用的理论，被称为标准模型。
虽然标准模型可以极其成功地解释大部分从实验中产生的结果，但仍有许多令人困惑的现象。为此，物理学家仍在努力地探索着标准模型中的各种粒子，希望能够从中发现一些超出理论预期的事情。
粒子物理学的标准模型，包含了已知所有的基本粒子。
W玻色子，质量为何？
40年前，欧洲核子研究中心（CERN）的物理学家宣布，他们探测了一种全新的基本粒子——W玻色子。当时，这一结果轰动了世界。在同年晚些时候，电中性的Z玻色子也被找到了。
这是两次重大的发现，它们的存在证实了电弱相互作用的理论。该理论认为，作为自然界中的两种基本力——电磁力和弱力只是同一种力的两面，就如同电力和磁力是电磁力的两面一样。
自那之后，CERN和其他的粒子对撞实验一直试图测量W玻色子的质量。然而，精确地测量W玻色子的质量却并没有想象中简单。
在CERN的大型强子对撞机（LHC）中，高能质子束之间的碰撞会产生一系列粒子，包括W玻色子。但W玻色子只存在非常短的时间，很快它们就会衰变成其他粒子，比如电子和中微子（ν）。这就使研究人员无法对W玻色子进行直接探测，而是必须把衰变时释放的质量和能量都加起来。这包括任何光子携带的能量，粒子的质量和动量，以及对中微子所携带的任何能量的估计。
去年，费米实验室的研究人员在梳理了对撞机探测器（CDF）10年间记录到的约420万个W玻色子后，得出W玻色子的质量为80434 ± 9MeV，这个结果引发了巨大的关注，因为测量质量要比标准模型预测的更重！然而，最近LHC的ATLAS实验公布的测量结果却表明W玻色子的质量为80360 ± 16MeV，与标准模型的预测相吻合。
标准模型预测的W玻色子的质量范围（图中灰色带）与不同实验的测量值的对比。（图/CERN）
W玻色子的质量究竟为何？物理学还需要更精确的实验测量才能提供最终的答案。假如未来最终确认W玻色子的质量确实与理论预期的存在偏差，那将意味着宇宙中或许存在着从未被发现的新粒子或相互作用。
首次在对撞机中探测到中微子！
我们已经提到，W玻色子在产生后会立即衰变成中微子。这种神秘的粒子是理解许多基本问题的关键，包括粒子是如何获得质量的，以及为什么宇宙中的物质比反物质多。
在过去的半个多世纪中，物理学家研究的大多数中微子都是低能中微子。这些低能中微子是从核反应中释放出来的，比如发生在太阳或核反应堆中的核反应。除了低能中微子，宇宙中还存在着高能中微子，其能量大约是太阳或核反应堆中产生的中微子的1000倍。这些高能中微子只在非常极端的条件下才会产生，比如中子星并合、伽马射线暴等最罕见、最壮观的宇宙事件。因此，想要深入研究高能中微子是非常困难的。
幸运的是，科学家建造了可以在高能中微子出现时识别它们的设备，比如位于南极的冰立方中微子天文台。但这些探测器所能探测到的高能中微子的数量非常有限，因此想要更好地研究它们，除了静静等待它们的到来，更好的办法其实是在地球上主动制造。
在LHC中，两束质子会以极高的能量碰撞，从而产生大量的中微子。然而，中微子却从未在任何对撞实验中被探测到，因为它们会直接穿过探测器，不留下任何痕迹。CERN的FASER实验的出现，改变了这一现状。不久前，FASER实验的研究人员宣布，他们首次在对撞机中探测到了能量非常高的中微子。
FASER实验首次观测到对撞中微子事件。（图/FASER collaboration）
FASER探测到的高能中微子类似于来自深空的中微子，因此它们对于理解粒子天体物理学中令人兴奋的观测非常重要。
四个顶夸克同时产生！
在标准模型中，顶夸克（t）是最重的基本粒子，它的质量是质子的184倍，与金原子的质量相当。金原子的质量主要来自核结合力，而顶夸克的质量则全部来自于与希格斯场的相互作用。顶夸克是与希格斯玻色子联系最紧密的粒子，这使得它成了寻找超越标准模型之外的物理迹象的理想选择。
1995年，物理学家是在对撞机中，通过测量质子与反质子对撞产生的顶夸克和反顶夸克对的微弱信号发现它的。今天，顶夸克和反顶夸克对不再是一个罕见的信号，在2015年至2018年期间，LHC就产生了超过两亿个的顶夸克和反顶夸克对。所以，物理学家如今更专注于寻找那些罕见的信号，比如同时产生四个顶夸克。
根据标准模型，由两个顶夸克和反夸克组成的四顶夸克可以同时产生。但这非常罕见，在LHC的4万亿次碰撞中，可能只有一次会同时产生四个顶夸克。
ATLAS和CMS的四顶夸克的产生事件。（图/CERN）
四顶夸克的产生不仅罕见，而且是出了名的难以探测。由于顶夸克的寿命非常短暂，所以物理学家永远无法直接看到它们。相反，物理学家寻找的是顶夸克衰变的产物。
每个顶夸克都能衰变成一个W玻色子和一个底夸克。而正如我们在上文提到的，W玻色子可以衰变为一个带电的轻子（比如电子和μ子）和一个中微子，或者是一个夸克-反夸克对。这意味着四个顶夸克的衰变产物非常多样化，可以是0到4个带电轻子，和多达12个由夸克产生的喷注。这使得寻找四顶夸克产生的特征标记非常具有挑战性。
为了帮助搜索这些事件，ATLAS和CMS都使用了新的机器学习技术，来构建筛选产生四顶夸克的候选事件的算法。在这些分析中，研究人员使用多个电子、μ子和（有底夸克标记的）喷注，作为四顶夸克的特征，将这些四顶夸克事件从由其他标准模型过程（具有更大的生产率）造成的背景中分离出来。无论是ATLAS还是CMS，都在搜索包含两个或更多轻子的事件特征。
这次直接观测到四顶夸克的产生，是进一步了解这种迷人粒子的新一步。这两个实验都期待在未来LHC的数据中，继续研究这一现象。
#创作团队：
撰文：小雨
排版：雯雯
#参考来源：
https://home.cern/news/press-release/physics/improved-atlas-result-weighs-w-boson
https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/CONFNOTES/ATLAS-CONF-2023-004/
https://www.unibe.ch/news/media_news/media_relations_e/media_releases/2023/media_releases_2023/first_detection_of_neutrinos_made_at_a_particle_collider/index_eng.html
https://home.cern/news/news/physics/new-lhc-experiments-enter-uncharted-territory
https://home.cern/news/news/physics/atlas-and-cms-observe-simultaneous-production-four-top-quarks
#图片来源：
封面图&首图：ATLAS
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