不同的化學(xué)元素都由相同的構(gòu)建塊組成：一個(gè)緊湊的“原子核”，由相似數(shù)量的質(zhì)子和中子組成，周?chē)h(huán)繞著一團(tuán)繞軌道運(yùn)行的電子。每種化學(xué)元素都有一個(gè)特征電子數(shù)，等于其原子核中的質(zhì)子數(shù)。電子的數(shù)量和允許的排列(受量子力學(xué)定律支配)決定了元素的所有化學(xué)性質(zhì);無(wú)論是穩(wěn)定的還是反應(yīng)性的，酸性的還是堿性的，金屬的還是非金屬的等等。元素周期表的豐富結(jié)構(gòu)可以用電子、質(zhì)子和中子的基本構(gòu)件以及它們相互作用和組合在一起的方式來(lái)解釋。
第二次世界大戰(zhàn)后，越來(lái)越強(qiáng)大的粒子加速器允許質(zhì)子或電子被提升到高能量并撞擊致密的物質(zhì)目標(biāo)，或者在隨后的正面碰撞中撞擊其他加速粒子。這種碰撞產(chǎn)生的碎片不僅包括熟悉的質(zhì)子、中子和電子，而且還包括一個(gè)不斷擴(kuò)大的更重、更奇特的粒子(統(tǒng)稱(chēng)為“強(qiáng)子”)的“動(dòng)物園”，這些粒子會(huì)轉(zhuǎn)瞬即逝，然后迅速衰變成更輕、更熟悉的粒子粒子。就像在門(mén)捷列夫的元素周期表中一樣，這些粒子可以根據(jù)它們的特性排列成有趣的模式，這些模式起源于一個(gè)叫做“群論”的數(shù)學(xué)分支。
在 1960 年代，物理學(xué)家提出強(qiáng)子實(shí)際上是由兩個(gè)或三個(gè)基本成分的組合組成，他們稱(chēng)之為“夸克”。
在 1960 年代，物理學(xué)家默里·蓋爾曼和喬治·茨威格提出，這些粒子中的大多數(shù)實(shí)際上是由兩種或三種基本成分的組合組成的，他們稱(chēng)之為“夸克”(發(fā)音與“馬克”或“約克”押韻) )。大多數(shù)強(qiáng)子可以解釋為只有兩個(gè)夸克的組合，稱(chēng)為“上”和“下”，而一類(lèi)具有異常長(zhǎng)壽命的所謂“奇怪”強(qiáng)子可以通過(guò)假設(shè)第三個(gè)“奇”夸克來(lái)適應(yīng)模型。很快，第四個(gè)“粲”夸克被提出，為描述弱相互作用(放射性衰變的基礎(chǔ)理論)中的一些問(wèn)題提供了一個(gè)優(yōu)雅的解決方案。
與此同時(shí)，美國(guó)加利福尼亞州斯坦福線(xiàn)性加速器中心的實(shí)驗(yàn)人員正在將高能加速電子與靜止質(zhì)子碰撞，并測(cè)量電子從碰撞中出來(lái)的角度。這些表明質(zhì)子不是一個(gè)沒(méi)有特征的固體物體，而是表現(xiàn)得好像它包含三個(gè)硬點(diǎn)狀成分，正如在夸克模型中所預(yù)期的那樣。隨后的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一圖景：質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成，中子由兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克組成，其他強(qiáng)子都是由其他夸克組合以及它們的反物質(zhì)伙伴反夸克組成的)。在過(guò)去的幾年里，物理學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了包含四個(gè)甚至五個(gè)夸克的強(qiáng)子的證據(jù)。
但是會(huì)不會(huì)有更多的夸克?1977 年，美國(guó)芝加哥附近的費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室 (Fermilab) 在質(zhì)子核碰撞中發(fā)現(xiàn)了一種新的重強(qiáng)子后，人們推斷出了第五種夸克，稱(chēng)為“底”或“美”(b) 夸克。夸克模型要求夸克成對(duì)出現(xiàn)，從而產(chǎn)生三個(gè)“世代”，每個(gè)“世代”有兩個(gè)夸克：向上和向下;奇異而迷人;最后，底部和頂部——完成這對(duì)夸克的第六個(gè)夸克。有趣的是，此時(shí)電子還擁有兩個(gè)更重的表親——μ 子和 tau——它們與中微子一起形成了第三代輕子，這是另一個(gè)粒子家族。第六夸克的動(dòng)機(jī)似乎令人信服。但是在哪里可以找到這個(gè)夸克呢?
尋找頂夸克
粒子的基本特征之一是它的質(zhì)量，它不僅決定了它的重量(重力作用下的重量)，還決定了它加速的難度。例如，汽車(chē)比自行車(chē)更難用手推動(dòng)。愛(ài)因斯坦著名的方程 E=mc 2告訴我們質(zhì)量 m 和能量 E 成正比(與光速 c 的平方有關(guān))。這意味著重粒子比輕粒子需要更多的能量來(lái)創(chuàng)造。粒子物理學(xué)家使用這種關(guān)系以“電子伏特”來(lái)測(cè)量粒子質(zhì)量，其中 1 電子伏特是電子在 1 伏特電場(chǎng)加速時(shí)獲??得的能量。這是一個(gè)極小的單位，質(zhì)子的質(zhì)量約為1吉電子伏特，即10億電子伏特或簡(jiǎn)稱(chēng)1GeV，相當(dāng)于1.8x10 -27 kg。
在這些單位中，上夸克、下夸克和奇夸克的質(zhì)量小于 0.1 GeV;粲夸克，1.3 GeV;和底夸克，4.2 GeV。因此，很自然地假設(shè)頂夸克符合這個(gè)序列——質(zhì)量可能為 10 到 20 GeV。當(dāng)然，在發(fā)現(xiàn)底夸克之后，頂夸克將“指日可待”。
隨著每一個(gè)新的、更強(qiáng)大的粒子加速器或?qū)ψ矙C(jī)開(kāi)始工作，物理學(xué)家希望它有足夠的能量來(lái)發(fā)現(xiàn)頂夸克。但是沒(méi)有看到令人信服的跡象，1990 年代初期費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室 Tevatron 質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)的 CDF 和 D0 實(shí)驗(yàn)的第一批數(shù)據(jù)表明，如果頂夸克存在，其質(zhì)量必須超過(guò) 100 GeV。在大西洋的另一邊，歐洲核子研究中心位于瑞士日內(nèi)瓦的大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī) (LEP) 的實(shí)驗(yàn)人員正在通過(guò)精確測(cè)量 Z 玻色子(一種與電弱相互作用相關(guān)的基本粒子)的衰變間接探測(cè)頂夸克。 ) 分為不同類(lèi)型的夸克和反夸克。由于能量守恒，質(zhì)量約為 90 GeV 的 Z 玻色子，如果頂夸克(和頂反夸克)質(zhì)量大于 45 GeV，則不會(huì)重到足以衰變成頂夸克-反夸克對(duì)。盡管如此，Z 玻色子衰變成其他類(lèi)型夸克的相對(duì)比例可能會(huì)受到甚至衰變成頂夸克的可能性的微妙影響，LEP 的測(cè)量表明頂夸克質(zhì)量應(yīng)該在 150 到 200 GeV 之間。但它真的存在嗎?
隨著每一個(gè)新的、更強(qiáng)大的粒子加速器或?qū)ψ矙C(jī)開(kāi)始工作，物理學(xué)家希望它有足夠的能量來(lái)發(fā)現(xiàn)頂夸克。但沒(méi)有看到令人信服的暗示。
在粒子對(duì)撞機(jī)中，高能質(zhì)子和反質(zhì)子之間的碰撞可以理解為兩個(gè)相對(duì)的夸克或反夸克“袋”之間的碰撞，即(反)質(zhì)子的組成部分。被加速的質(zhì)子的總能量由三個(gè)夸克共享，一部分也流向了膠子，質(zhì)子中的其他粒子代表了將三個(gè)夸克結(jié)合在一起的力。物理學(xué)家預(yù)計(jì)，在 Tevatron 的 1.8 TeV(1800 GeV)碰撞中產(chǎn)生頂夸克的最可能方法是通過(guò)質(zhì)子夸克和反質(zhì)子反夸克正面碰撞，產(chǎn)生頂夸克和相應(yīng)的頂反夸克(a '頂對(duì)')。再次，由于能量守恒，這個(gè)過(guò)程需要初始夸克和反夸克的能量至少是頂夸克質(zhì)量的兩倍——這超過(guò)了它們母質(zhì)子能量的公平份額。這是不太可能的，如果頂夸克很重，頂對(duì)的產(chǎn)生會(huì)變得更加罕見(jiàn)。
在 1990 年代初期，CDF 和 D0 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始積累在其數(shù)據(jù)樣本中產(chǎn)生頂反頂對(duì)的證據(jù)。他們終于在 1995 年宣布聯(lián)合發(fā)現(xiàn)了頂夸克，測(cè)量其質(zhì)量約為 180 GeV。這比最初的預(yù)期大 10 倍左右，但與 LEP 的指示一致。在接下來(lái)的 16 年里，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)記錄和研究了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的頂夸克事件，這使物理學(xué)家能夠建立這種新粒子的第一幅畫(huà)像。在他們看來(lái)，它的行為就像底夸克的伙伴所期望的那樣——但為什么它這么重?
頂夸克來(lái)到歐洲
當(dāng)歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī) (LHC) 在 2010 年春季以最初的 7 TeV 碰撞能量開(kāi)啟時(shí)，第一眼看到頂夸克是許多 ATLAS 物理學(xué)家的愿望清單。由于碰撞能量大得多，LHC 頂反頂對(duì)的產(chǎn)生主要由兩個(gè)碰撞質(zhì)子產(chǎn)生的膠子碰撞決定，其碰撞速率遠(yuǎn)高于 Tevatron。
頂夸克不是一個(gè)穩(wěn)定的粒子。而不是與其他夸克合作形成強(qiáng)子，這個(gè)過(guò)程需要幾個(gè) 10 -24秒，它在 10 -25內(nèi)衰變秒到 W 玻色子和底夸克。W 玻色子依次衰變成夸克-反夸克對(duì)(通常是上夸克-下夸克對(duì)或粲夸克-奇異夸克對(duì))，這些夸克產(chǎn)生準(zhǔn)直噴流或“噴流”，粒子在探測(cè)器中大致朝著同一方向前進(jìn)。或者，W 玻色子可能衰變成一個(gè)輕子(例如一個(gè)電子或μ 子)加上一個(gè)中微子。中微子穿過(guò) ATLAS 探測(cè)器并在未被探測(cè)到的情況下逃逸，一旦所有探測(cè)到的粒子都被計(jì)算在內(nèi)，碰撞事件中就會(huì)出現(xiàn)能量不平衡。b-夸克也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)粒子射流，但其中包含一個(gè)由 b-夸克和一個(gè)較輕的反夸克組成的強(qiáng)子，它在衰減前在探測(cè)器中傳播幾毫米。來(lái)自這種衰變的帶電粒子軌跡可以在 ATLAS 中精確重建，并區(qū)別于來(lái)自碰撞點(diǎn)的其他粒子。這允許噴流被“b 標(biāo)記”為可能是由 b 夸克產(chǎn)生的。兩個(gè)頂夸克產(chǎn)生兩個(gè) W 玻色子和兩個(gè) b 夸克噴流，ATLAS 探測(cè)器中頂對(duì)產(chǎn)生的特征非常壯觀。它還為探測(cè)器以及記錄數(shù)據(jù)的處理、校準(zhǔn)和重建提供了極好的“計(jì)算”。
LHC 起初積累數(shù)據(jù)的速度很慢，但到 2010 年夏天，ATLAS 和 CMS 的合作都能夠報(bào)告對(duì)歐洲頂夸克生產(chǎn)的首次觀測(cè)。LHC 計(jì)劃的這一里程碑為僅僅兩年后發(fā)現(xiàn)更加難以捉摸的希格斯玻色子奠定了基礎(chǔ)。圖 1 顯示了 ATLAS 中記錄的第一批頂對(duì)事件之一，頂夸克衰變?yōu)殡娮印?mu; 子、缺少能量指示中微子和 b 標(biāo)記的噴流。
LHC 對(duì)頂夸克的首次觀測(cè)為僅僅兩年后發(fā)現(xiàn)更加難以捉摸的希格斯玻色子奠定了基礎(chǔ)。
隨著 LHC 積累的數(shù)據(jù)越來(lái)越多，碰撞能量在 2012 年增加到 8 TeV，2015 年增加到 13 TeV，ATLAS 和 CMS 實(shí)驗(yàn)記錄了越來(lái)越多的頂夸克樣本，從而可以對(duì)其進(jìn)行更詳細(xì)的研究。主要測(cè)量之一是“橫截面”，即在給定數(shù)量的質(zhì)子 - 質(zhì)子碰撞下產(chǎn)生頂夸克對(duì)的速率。這種測(cè)量在概念上很簡(jiǎn)單：計(jì)算檢測(cè)器中看到的“類(lèi)似頂部”事件的數(shù)量;估計(jì)并減去其他非頂級(jí)粒子產(chǎn)生過(guò)程中預(yù)期的事件數(shù)量，從而產(chǎn)生類(lèi)似的事件特征;然后校正錯(cuò)過(guò)的頂對(duì)事件的估計(jì)分?jǐn)?shù)。
實(shí)際上，需要多年艱苦的工作才能充分理解數(shù)據(jù)和更正，以進(jìn)行只有幾個(gè)百分點(diǎn)的不確定性的測(cè)量。計(jì)算我們期望的事件數(shù)量也是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，需要了解質(zhì)子內(nèi)部夸克和膠子的確切混合物(源自許多以前的實(shí)驗(yàn))，以及特定能量的夸克和膠子實(shí)際相互作用并產(chǎn)生頂反頂對(duì)的概率。這項(xiàng)工作的結(jié)果如圖 2 所示：在迄今為止研究的質(zhì)子 - 質(zhì)子碰撞能量(用 √s 表示)的整個(gè)范圍內(nèi)，頂反頂夸克對(duì)的產(chǎn)生頻率與理論所說(shuō)的完全一樣，在百分之幾的不確定性。到目前為止，這個(gè)神秘粒子的行為與 b 夸克的一個(gè)非常重的伙伴所預(yù)期的一樣。
稱(chēng)重頂夸克
確定不穩(wěn)定粒子質(zhì)量的常用方法是測(cè)量它衰變成的粒子的能量和方向。由于衰變過(guò)程中能量守恒，因此鎖定在粒子質(zhì)量中的能量會(huì)重新出現(xiàn)在衰變產(chǎn)物的質(zhì)量中。當(dāng)衰變產(chǎn)物從初始衰變點(diǎn)飛離時(shí)，任何多余的能量都會(huì)轉(zhuǎn)化為衰變產(chǎn)物的運(yùn)動(dòng)(即它們的動(dòng)能)。例如，這適用于將 Z 玻色子衰變成兩個(gè)電子或 μ 子，其能量和方向可以在 ATLAS 探測(cè)器中精確測(cè)量。我們記錄和分析的 Z 玻色子衰變?cè)蕉啵覀兙湍茉骄_地確定它的質(zhì)量。
然而，頂夸克衰變成 W 玻色子和 b 夸克，兩者都不是穩(wěn)定粒子。b 夸克產(chǎn)生平行粒子射流，如果 W 玻色子衰變成夸克-反夸克對(duì)，就會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)這樣的射流。通過(guò)在探測(cè)器中測(cè)量這些粒子噴射的能量和方向，可以推斷出每個(gè)原始夸克的能量和方向。通過(guò)對(duì)來(lái)自 W 玻色子的夸克和反夸克以及來(lái)自頂衰變的原始 b 夸克這樣做，可以計(jì)算頂夸克的質(zhì)量。
但是如果 W 玻色子衰變成一個(gè)輕子(例如一個(gè)電子或 μ 子)和一個(gè)中微子，事情就有點(diǎn)復(fù)雜了。輕子可以被精確測(cè)量，但中微子從 ATLAS 探測(cè)器中逃脫而沒(méi)有留下任何痕跡，因此它的能量和方向只能從事件其余部分的“不平衡”中猜測(cè)。由于每個(gè)事件中都有兩個(gè)衰變的頂夸克，因此還需要確定哪些粒子射流和輕子屬于哪個(gè)頂夸克衰變——弄錯(cuò)了，頂質(zhì)量的錯(cuò)誤值，通常與真實(shí)值相差甚遠(yuǎn)，獲得。
將這種技術(shù)應(yīng)用于 ATLAS 在 2012 年記錄的大約 40,000 個(gè)頂對(duì)事件的結(jié)果如圖 3(左)所示。分布的峰值在 160 GeV 左右，但它相當(dāng)廣泛，許多事件顯示頂夸克質(zhì)量低于 150 GeV 或高于 170 GeV。這主要是因?yàn)樯淞鞯臏y(cè)量是一個(gè)不精確的過(guò)程——一個(gè)真正能量為 50 GeV 的夸克可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)被錯(cuò)誤測(cè)量為具有 40 或 60 GeV 能量的射流。但是這些影響在許多事件中都是平均的。圖 3 中的右圖說(shuō)明了假設(shè)來(lái)自每個(gè)事件中 W 玻色子衰變的夸克的重建質(zhì)量;此處的峰值接近 80 GeV，并且由于 W 玻色子的質(zhì)量從其他測(cè)量中已知精確為 80.4 GeV，
該分析的最終結(jié)果給出了 172.1 ± 0.9 GeV 的頂夸克質(zhì)量值。這比圖 3(左)中的明顯峰值位置高約 12 GeV，顯示了扭曲質(zhì)量分布形狀的所有影響的重要性，例如不完美的射流分辨率和錯(cuò)誤分配的射流頂夸克或 W 玻色子衰變。物理學(xué)家依靠理論模型和計(jì)算機(jī)模擬來(lái)預(yù)測(cè)這些影響，而這些模型由于我們對(duì)頂夸克衰變時(shí)實(shí)際發(fā)生的情況缺乏了解而受到限制。
大多數(shù)夸克都被限制在強(qiáng)子中，要么是三個(gè)，要么是三個(gè)。使它們結(jié)合在一起的力是強(qiáng)核力，它與作用在帶電粒子上的電磁力有一些相似之處(相反的電荷相吸，如電荷相斥)。強(qiáng)核力的類(lèi)似電荷被稱(chēng)為“顏色”，它不是一種而是三種：紅色、綠色和藍(lán)色(盡管這與“顏色”的日常含義無(wú)關(guān))。強(qiáng)子必須是“無(wú)色的”，這意味著它們的組成夸克的色荷必須平衡，例如紅色+反紅色，或紅色、綠色和藍(lán)色。
當(dāng)一個(gè)高能夸克(比如一個(gè)紅色的)轉(zhuǎn)變?yōu)橐皇鵁o(wú)色的強(qiáng)子(沒(méi)有整體顏色)時(shí)，原來(lái)的紅色必須被另一個(gè)有色夸克或其他地方的夸克“中和”。這種“顏色交換”過(guò)程，也意味著動(dòng)量和能量的交換，在理論上并沒(méi)有得到很好的理解，并且對(duì)頂夸克衰變有影響。頂夸克在衰變之前會(huì)與其他夸克交換顏色嗎?它是否將顏色傳遞給衰變過(guò)程中產(chǎn)生的 b 夸克，“多余”的顏色去了哪里?經(jīng)過(guò)所有這些顏色的洗牌，ATLAS 探測(cè)器中重建的頂夸克質(zhì)量會(huì)發(fā)生什么變化?估計(jì)范圍從可以忽略不計(jì)的變化到大約 1 GeV 的偏移——比我們現(xiàn)在可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量質(zhì)量的精度更高。
探索這些問(wèn)題的一種方法是用其他方式測(cè)量頂夸克質(zhì)量——這種方式不那么依賴(lài)衰變產(chǎn)物的分析，并且更容易在理論上與夸克質(zhì)量的“干凈”定義相關(guān)聯(lián)。例如，圖 2 中頂對(duì)產(chǎn)生截面的預(yù)測(cè)取決于頂夸克質(zhì)量——它越重，產(chǎn)生的頻率就越低。改變預(yù)測(cè)中假設(shè)的頂夸克質(zhì)量超過(guò) 2 GeV 會(huì)破壞預(yù)測(cè)和測(cè)量之間的一致性。
LHC 產(chǎn)生的頂夸克的動(dòng)量分布，或它們衰變中的輕子，也取決于質(zhì)量。存在幾種這樣的間接測(cè)量，它們通常與迄今為止使用頂夸克衰變產(chǎn)物進(jìn)行的所有 ATLAS 測(cè)量獲得的平均值 172.7±0.5 GeV 一致。然而，迄今為止進(jìn)行的間接測(cè)量的不確定性在 1 到 2 GeV 的水平，太大而無(wú)法清楚地看到基于衰變產(chǎn)物的測(cè)量中可能存在的 1 GeV 或更少的可能影響。
為什么這很重要?自從 2012 年在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子并隨后對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行精確測(cè)量以來(lái)，粒子物理學(xué)理論基礎(chǔ)(標(biāo)準(zhǔn)模型)的強(qiáng)大新“一致性測(cè)試”成為可能。特別是，對(duì)頂夸克和希格斯玻色子質(zhì)量的精確測(cè)量可以揭示極高能量尺度下的粒子相互作用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們希望用地球上的粒子加速器探測(cè)的范圍。如果頂夸克相對(duì)于希格斯玻色子來(lái)說(shuō)太重，標(biāo)準(zhǔn)模型就會(huì)崩潰——它甚至?xí)砻髡麄€(gè)宇宙處于不穩(wěn)定狀態(tài)，使得它在大爆炸以來(lái)的 140 億年中幸存下來(lái)是難以置信的。根據(jù)目前對(duì)頂夸克質(zhì)量的測(cè)量，宇宙可能被認(rèn)為處于“刀刃”上。
但由于我們都還在這里，重頂夸克可能意味著標(biāo)準(zhǔn)模型是不完整的——我們還沒(méi)有了解關(guān)于基本粒子及其相互作用的所有知識(shí)。如果頂夸克稍微輕一點(diǎn)，也許標(biāo)準(zhǔn)模型就足夠了，盡管問(wèn)題仍然是為什么我們?nèi)绱私咏吘墶８_、更好理解的頂夸克質(zhì)量測(cè)量可以告訴我們我們是否真的處于這種有趣的境地。
頂上一切
頂夸克是特殊的，還是“只是另一個(gè)夸克”?與其他夸克(均小于 5 GeV)相比，它的巨大質(zhì)量約為 173 GeV，也使其高于電弱 W 和 Z 玻色子(分別為 80.4 GeV 和 91.2 GeV)和希格斯玻色子(125 GeV)的質(zhì)量. 如果頂夸克只是一個(gè)夸克，標(biāo)準(zhǔn)模型可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)它應(yīng)該如何與這些玻色子相互作用。如果頂夸克是別的東西——也許與電弱玻色子或希格斯玻色子的聯(lián)系更緊密——它可能會(huì)以不同的方式與它們相互作用。這些相互作用的主要特征是產(chǎn)生具有頂對(duì)和希格斯玻色子或 Z 玻色子的事件，從而在探測(cè)器中產(chǎn)生壯觀而復(fù)雜的特征。這些事件的橫截面，以及產(chǎn)生的玻色子的動(dòng)量分布等特征，
ATLAS 利用 2015 年至 2018 年 LHC 運(yùn)行 2 期間收集的大數(shù)據(jù)樣本，開(kāi)始對(duì)這些過(guò)程進(jìn)行測(cè)量。由于來(lái)自頂夸克的 W 玻色子可以以多種方式衰變(變成夸克-反夸克對(duì)、電子、介子或 taus)，而 Z 和希格斯 (H) 玻色子也可以以多種不同的方式衰變，因此存在過(guò)多此類(lèi)事件的實(shí)驗(yàn)特征。它們通常具有兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)電子或 μ 子，以及來(lái)自頂部衰變中的 b 夸克等多個(gè)噴流。然而，top-pair + Z/H 事件的產(chǎn)生率很小，其他類(lèi)型的事件可以產(chǎn)生類(lèi)似的特征。例如，W 玻色子衰變成電子或 μ 子的頂對(duì) + W 事件，或某些其他粒子被錯(cuò)誤地識(shí)別為電子或 μ 子的事件。
圖 4 顯示了對(duì)頂對(duì) + 希格斯產(chǎn)生的一次搜索，分析了希格斯玻色子和頂夸克到輕子的衰變。結(jié)果以μ表示的“信號(hào)強(qiáng)度”表示，μ是測(cè)得的生產(chǎn)率與標(biāo)準(zhǔn)模型中預(yù)期的生產(chǎn)率之間的比率。值 1 表示測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)之間完全一致，而值 0 表示沒(méi)有看到此類(lèi)事件。對(duì)于這個(gè)分析，在所有探索的衰減特征上平均的最終 μ 值是 μ=0.58 +0.36 -0.33。這是一個(gè)“玻璃半滿(mǎn)”值——與標(biāo)準(zhǔn)模型速率下的頂對(duì) + Higgs 生產(chǎn)兼容，或者根本不兼容。作為副產(chǎn)品，該分析還測(cè)量了 top-pair + W 生成的速率，發(fā)現(xiàn)結(jié)果比預(yù)期高約 40%，與早期對(duì) ATLAS Run-2 數(shù)據(jù)集的一小部分進(jìn)行的專(zhuān)用測(cè)量一致，并反映了困難明確區(qū)分可能來(lái)自頂對(duì) + H 和頂對(duì) + W 過(guò)程的事件。
另一種策略是利用希格斯玻色子罕見(jiàn)但非常顯著的衰變到兩個(gè)光子(電磁相互作用的無(wú)質(zhì)量玻色子)。在此分析中，選擇了具有兩個(gè)光子和與頂對(duì)產(chǎn)生一致的附加粒子的事件，并研究了兩個(gè)光子的質(zhì)量分布，如圖 5 所示。上圖顯示了一個(gè)凸起，其中質(zhì)量為雙光子系統(tǒng)接近 125 GeV，即希格斯玻色子的質(zhì)量。產(chǎn)生相同最終狀態(tài)的其他過(guò)程的貢獻(xiàn)不應(yīng)有任何此類(lèi)顛簸，并且可以用平滑曲線(xiàn)建模。減去這些背景過(guò)程(下圖)后，頂對(duì) + Higgs 產(chǎn)生的貢獻(xiàn)很明顯，盡管只是少數(shù)幾個(gè)事件。此分析的信號(hào)強(qiáng)度 是 μ=0.92 + 0.27 -0.24，符合標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)統(tǒng)一的期望，并強(qiáng)烈表明頂夸克和希格斯玻色子確實(shí)與預(yù)期強(qiáng)度相互作用。
頂對(duì) + Z 事件的產(chǎn)生在某種程度上更容易觀察，這要?dú)w功于 Z 玻色子明顯衰減為兩個(gè)電子或兩個(gè) μ 子，可以有效地重建，而與其他過(guò)程混淆的可能性很小。借助完整的 Run-2 數(shù)據(jù)集，ATLAS 物理學(xué)家已經(jīng)分離出足夠多的頂對(duì) + Z 事件，不僅可以測(cè)量速率，還可以研究 Z 玻色子的動(dòng)量分布，如圖 6 所示。事件的最大部分具有 Z -玻色子動(dòng)量值 (p T Z ) 大約為 100 GeV，并且事件的總體速率和 p T Z分布的形狀都被理論預(yù)測(cè)很好地再現(xiàn)了。
因此，至少對(duì)于頂對(duì) + Z 事件，標(biāo)準(zhǔn)模型似乎正在獲勝。但是，將需要來(lái)自 LHC 運(yùn)行 3 的更多數(shù)據(jù)(定于 2022 年開(kāi)始)來(lái)完成圖片，尤其是頂對(duì) + 希格斯和頂對(duì) + W 玻色子過(guò)程。
就我們所見(jiàn)，頂夸克看起來(lái)像夸克，像夸克一樣游動(dòng)。然而，它不符合模式。
在等待更多數(shù)據(jù)的同時(shí)，物理學(xué)家也在努力從我們擁有的測(cè)量中獲取盡可能多的信息。標(biāo)準(zhǔn)模型提供了一組關(guān)于頂夸克、W、Z 和希格斯玻色子在高能下應(yīng)該如何表現(xiàn)的明確預(yù)測(cè)——但是還有很多替代方案涉及額外假設(shè)粒子或相互作用的影響。有效場(chǎng)理論提供了一種優(yōu)雅的數(shù)學(xué)方法，而不是對(duì)它們?nèi)窟M(jìn)行測(cè)試。該技術(shù)考慮了所有可能的修改，例如符合基本物理原理的頂夸克和玻色子之間的耦合。新耦合的變化方式使得它們?cè)诘湍芰肯聸](méi)有影響(理論等同于標(biāo)準(zhǔn)模型)，但在較高能量下變得重要，
這些修改中的每一個(gè)的影響都可以通用計(jì)算，而無(wú)需知道可能引起它們的新粒子或相互作用的詳細(xì)信息，從而提供可以與當(dāng)前測(cè)量值進(jìn)行比較的偏差庫(kù)。有效場(chǎng)論還提供了一種以一致的方式處理來(lái)自不同粒子相互作用(例如此處討論的 WW 散射)的數(shù)據(jù)的方法，從而可以 360 度全方位了解我們目前對(duì)最高能量粒子物理學(xué)的理解。物理學(xué)家現(xiàn)在正在將這些技術(shù)應(yīng)用于涉及頂夸克的數(shù)據(jù)，隨著 LHC Run 3 中的數(shù)據(jù)變得更加精確，結(jié)果應(yīng)該會(huì)變得更加有趣。
迄今為止，在 LHC 上研究的涉及頂夸克的最罕見(jiàn)過(guò)程是同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)頂夸克和兩個(gè)頂反夸克，稱(chēng)為“四頂產(chǎn)生”。預(yù)計(jì)這將比頂級(jí)對(duì)生產(chǎn)少約 70,000 倍，但 ATLAS 和 CMS 最近使用其完整的 Run-2 數(shù)據(jù)集首次發(fā)現(xiàn)了此類(lèi)事件的跡象。的ATLAS分析給出μ= 2.0 0.8 -0.6; 這大約是預(yù)期速率的兩倍，但在不確定性范圍內(nèi)仍與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)兼容。許多提出超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子或相互作用的理論可能會(huì)導(dǎo)致這種增強(qiáng)。這可能只是即將到來(lái)的第一個(gè)誘人的興奮暗示，但需要確切地知道 Run 3 數(shù)據(jù)。
在發(fā)現(xiàn)頂夸克 25 年后，我們現(xiàn)在對(duì)這種超重基本粒子有了很多了解。就我們所見(jiàn)，它看起來(lái)像夸克，像夸克一樣游動(dòng)，像夸克一樣嘎嘎叫。然而 - 它不符合模式。它比所有其他夸克重得多，似乎更容易坐在粒子動(dòng)物園電弱部分的重玻色子中。這是巧合嗎?迄今為止，嘗試?yán)斫饽Ｊ揭恢笔俏覀兲剿髯匀坏膹?qiáng)大技術(shù)，并為我們帶來(lái)了元素周期表、我們對(duì)強(qiáng)子的理解等等。但是，當(dāng)某些事情不符合這種模式時(shí)，這通常暗示有新事物潛伏在拐角處。我們還沒(méi)有找到——但我們會(huì)繼續(xù)尋找!
關(guān)于作者
理查德霍金斯在英國(guó)牛津獲得博士學(xué)位，在成為歐洲核子研究中心的研究物理學(xué)家之前曾擔(dān)任歐洲核子研究中心研究員和 DESY 研究員。他一直是 LEP 的 OPAL 合作和 LHC 的 ATLAS 合作的成員，他的工作重點(diǎn)是精確標(biāo)準(zhǔn)模型物理學(xué)，特別是涉及頂夸克。他在 ATLAS 上擔(dān)任過(guò)各種協(xié)調(diào)角色，包括物理協(xié)調(diào)員和頂級(jí)工作組召集人。他現(xiàn)在共同領(lǐng)導(dǎo) ATLAS 光度測(cè)量小組。
