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大型强子对撞机实验观察到了四个顶夸克

2023-04-13 13:29

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ATLAS和CMS实验已经成功探测到,在大型强子对撞机内高能质子碰撞过程中产生了四个顶夸克。四个顶夸克的产生几率是希格斯玻色子的1/4000。


哈佛大学博士后尼达·亚历山德拉·阿斯巴表示:“我们能够观察到这个过程真是令人难以置信?!?br />


顶夸克是质量最大的基本粒子,与咖啡因分子的质量相同。科学家们希望通过研究这些高居榜首的粒子,可以更多地了解希格斯场,它赋予了夸克和其他它基本粒子质量。


“研究四个顶夸克的产生是一种寻找新物理学的好方法。”加州大学圣地亚哥分校的博士后梅丽莎·奎南表示。


粒子物理学的标准模型是科学家们用来描述亚原子粒子行为的最佳模型,它可以预测四顶粒子产生的频率??蒲Ъ颐茄罢也⒀芯空庋暮奔?,以测试实验测量是否符合标准模型计算的预期。


密歇根大学的研究生蔡梦菊表示:“未发现的重粒子可能会影响我们看到这一过程的速度。例如,大型强子对撞机可能会产生两个顶夸克和希格斯玻色子的近亲,然后衰变成另外两个顶夸克。这将增加我们看到四个顶夸克的速率,超出标准模型的预测值?!?br />


大型强子对撞机利用爱因斯坦方程E=mc2,将储存在质子中的能量转化为巨大的基本粒子。质子本身不是基本粒子,而是由被称为夸克的点状粒子组成,夸克由其它被称为胶子的基本粒子连接在一起。当质子加速时,它们的胶子获得能量。当两个胶子碰撞时,它们的能量可以转化为许多其它粒子,包括顶夸克。


根据蔡梦菊的说法,四个顶夸克的产生是大型强子对撞机有史以来观测到的最罕见、最重的过程之一。如果标准模型是正确的,那么只有大约四分之一的LHC碰撞应该同时产生四个顶夸克。


如果大型强子对撞机的研究项目自首次运行以来没有任何改进,物理学家可能需要大约1000年的时间才能看到这一过程。幸运的是,由于加速器和探测器的升级,已经取得了重大进展。自2012年以来,ATLAS和CMS的实验数据集增加了六倍。


物理学家也改进了他们的分析技术。顶夸克是如此短暂,以至于科学家永远不会直接看到它们。相反,科学家们寻找的是顶夸克衰变时产生的粒子。


问题是,顶夸克产生的衰变模式与许多其它亚原子过程留下的模式几乎相同。阿斯巴表示:“我们所做的一切都是试图将信号从背景中分离出来。”


科学家们使用理论模型和计算机模拟来预测信号会是什么样子:探测器应该看到的粒子种类以及它们的轨迹和动量。由于这些特征与背景事件非常相似,科学家们经常使用机器学习算法来帮助对背景信号进行分类。


奎南将这项工作比作孤立照片中的一个人。她表示:“有了机器学习,像Photoshop这样的应用程序可以用更复杂的方式绘制数字照片的背景。我们的分析也类似。”


但在这种情况下,信号和背景看起来非常相似,这不像是从自拍中移除一个难看的停车场,更像是在大型音乐会上拍摄的模糊照片中隔离一个特定的人??媳硎荆骸拔颐怯幸桓雠哟蠖丛拥谋尘?,但无法模拟它,必须使用大数据。这是CMS首次使用机器学习来估计数据驱动的背景。”


虽然摄影师可以通过视觉检查图像以确保背景被干净地去除,但物理学家却不能这样做。在他们准备好分析数据之前,甚至不会检查信号区域,以防止自己产生偏见。


对于这些类型的物理分析,科学家们确定了信号的所有相关特征,并绘制了实验数据中信号事件的草图。他们还创建了外观相似的背景事件的草图,其中只有一两个特征被调整。然后,物理学家将这些模仿信号事件和模仿背景输入到他们的机器学习算法中,看看它们的表现如何。


梦菊表示:“我们进行了长时间的讨论和验证,以交叉检查机器学习输出的建模是否合理?!?br />


只有在模拟数据上验证了算法之后,科学家们才会将同样的技术应用于真实数据的信号区域。


考虑到系统和统计的不确定性,ATLAS和CMS的新结果与标准模型一致。ATLAS测量的统计显著性为6.1西格玛,这意味着这些发现只有十亿分之一的可能性是信号样背景变化的结果,而不是以前未发现的过程。同样,CMS的统计显著性为5.5西格玛,这也超过了物理学家声称发现了以前看不见的粒子或过程所需的5西格玛阈值。


尽管结果仍然与标准模型一致,但两个实验都看到了比基于标准模型预测的正常预期更多的信号事件。蔡梦菊表示:“这可能是数据波动,也可能是新物理在这里发挥作用。尽管不能得出结论,我们可能已经观察到了标准模型之外的新物理,但这一分析提供了一些线索和方向,我们可以继续研究?!?br />


如果过剩量随着时间的推移而增长,这可能是一个重基本粒子产生四个顶夸克从而提高速率的证据。阿斯巴表示:“到Run 3结束时,数据集将增加两倍。我们将能够确定这一过程。”


即使分析没有带来新的物理学,对蔡梦菊来说,从事这类研究已经是梦想成真了。


梦菊表示:“当我还是一名高中生时,我被希格斯玻色子的发现所吸引。尽管我不知道希格斯玻色子到底是什么,但我很激动,希望有一天能来到日内瓦,加入欧洲核子研究中心的合作,与那里的物理学家合作,发现新的物理学。现在,一切都实现了?!?/span>



来源 | 《Symmetry》期刊官网

编译 | ?槟榔郭