歐洲核子研究中心透過希格斯玻色子發現「新物理」的大膽探索
自從大型強子對撞機啟動以來，研究人員一直在研究希格斯玻色子，並尋找超越當前基本粒子模型的物理跡象。 使用ATLAS 探測器的科學家們將這兩個目標結合在了一起：他們的最新分析不僅加深了我們對希格斯玻色子如何相互作用的理解，還對潛在的”新物理”現象施加了更強的限制。
ATLAS 偵測器內記錄的質子碰撞期間的二次粒子軌跡，顯示事件中存在單一希格斯玻色子。 資料來源：IFJ PAN / CERN / ATLAS 實驗
大型強子對撞機（LHC）取得了重大成功，發現了希格斯玻色子，這是標準模型中最後一塊缺失的部分，也是理解基本粒子質量起源的關鍵。 然而，儘管取得了這項突破，研究人員仍未找到任何超越標準模型的物理學證據，這一直是令人沮喪的根源。 位於日內瓦的歐洲核子研究中心（CERN）（歐洲核子研究組織）的科學家目前正在努力提高希格斯玻色子測量的精度，同時積極尋找”新物理學”的跡象，以解決這一問題。
歐洲核子研究中心的ATLAS 實驗小組最近進行了一項研究，並發表在《高能物理期刊》上，這項研究體現了這種雙重方法。 實驗小組重點觀測了導致產生兩個希格斯玻色子的事件，這兩個希格斯玻色子隨後衰變為多個輕子家族的粒子，主要是電子和μ介子。
探索希格斯玻色子對的產生
希格斯玻色子對的產生在標準模型中理論上是可能的，但這種情況非常罕見，科學家尚未在現有數據中觀測到。 然而，標準模型之外的一些理論模型表明，希格斯玻色子對可能會更頻繁地產生。 如果科學家能利用現有數據來確定希格斯玻色子對產生的實例，就能證實一種新的、以前未知的物理現象的存在。 因此，ATLAS 實驗小組將這一罕見的過程作為分析的重點。
“希格斯玻色子相互作用的實驗研究遇到了一個根本問題。這就是：在大型強子對撞機的質子對撞中，希格斯玻色子出現的頻率非常低，以至於迄今為止還沒有探測到一次希格斯玻色子成對產生的事件，而如果我們想研究這些粒子之間的相互作用，乍一看這似乎是絕對必要的。的物理學家巴特洛米耶-扎賓斯基（Bartlomiej Zabinski）博士問：”那麼，我們如何研究一種尚未被觀測到的現象呢？”
機器學習在粒子物理學中的作用
在標準模型中，可以對各種已知過程的機率做出越來越精確的預測。 理論預測與大型強子對撞機探測器的實際數據之間的差異，將成為暗示希格斯玻色子的意外特性或新物理學存在的理由。 因此，ATLAS 實驗的物理學家僅在標準模型的框架內，模擬了（連同背景）在出現兩個希格斯玻色子現象時探測器中應該出現的信號，然後根據來自探測器的預期資料量對結果進行了歸一化處理。 最後一步是將由此所得的數值與先前觀測所得的數值進行比較。 基於決策樹的機器學習的使用有助於尋找這些罕見過程。
“我們對具有多個輕子的終態中的雙希格斯玻色子產生事件的分析，是對其他終態研究的補充。 到目前為止，我們還沒有從探測器的數據中發現任何與標準模型不一致的地方。無法在目前收集到的數據中看到，」扎賓斯基博士總結道。
大型強子對撞機的未來展望
未来几年，大型强子对撞机将进行重大升级。 届时，光束的强度将增加十倍，从而显著增加质子碰撞的记录数量。 目前对希格斯玻色子的产生和相互作用参数的分析所带来的限制让物理学家们希望，也许在下一个十年初，就能从更多的数据中挑选出第一批产生双希格斯粒子的事件，并在对这一现象的直接观测中验证今天的预测。
編譯自/ ScitechDaily