为什么质量较大的粒子更难被探测到,比如质量相对较大的希格斯玻色子?

时间:2022-05-13 13:31:15   作者:
质量不是一切,也不是一切的终结。希格斯粒子是最难发现的基本粒子(因为它是最后一个),但顶夸克的质量更大(125 GeV对174 GeV)。一个粒子很难被探测到的原因是,相对于其他过程的预期事件数,观察到的事件数较少。

首先要产生粒子。粒子质量越大,在碰撞中需要的能量就越多。例如,像LEP这样中心质量能量为205gev的对撞机不能产生一对(在壳上)顶夸克。大型强子对撞机的中心质量能量为13tev,因此它有足够的动力来获得新粒子(之前的对撞机,Tevatron只有1.96TeV)。但是它会碰撞质子质子是由夸克和胶子组成的,每个夸克/胶子携带一小部分质子能量。是夸克和胶子发生碰撞,而不是质子所以你不会在每次碰撞中都达到完全的13tev,实际上更少。所以如果你想要创造一个更大质量的粒子,你需要越来越少的碰撞,因为你需要幸运地让两个相互碰撞的夸克/胶子携带它们各自质子的大量能量。这就是为什么在所有条件相同的情况下,更难产生质量更大的粒子。

但这还不是全部。如果希格斯玻色子的质量更大,它实际上会更容易被发现!这是在希格斯粒子被发现之前,CDF实验的结果:

CDF实验

这个图意味着他们排除了质量在150到170 GeV之间的希格斯玻色子。同样,CMS在发现希格斯玻色子之前:

希格斯玻色子

这就排除了质量在130gev到400gev之间的任何希格斯玻色子。那么,为什么质量更大的希格斯玻色子更容易被发现呢?

原因不仅在于你要生产它,还在于你要检测它。如果你不直接探测到它,新粒子会立即衰变为你探测到的已知粒子。希格斯玻色子与质量耦合,粒子质量越大,就越想衰变为质量。然而,希格斯玻色子的质量限制了它的衰变范围。它确实想衰变为顶夸克对,但它需要质量是顶夸克对的两倍。它喜欢衰变到WW和ZZ,但是W和Z的质量是80和91 GeV,所以它需要质量> 160/190 GeV才能衰变。所以在低质量时,它主要衰变为底部夸克。

不幸的是,大型强子对撞机产生了很多底部夸克,事实上,我们现在看到的只是通道本身的衰变,希格斯粒子的贡献太小了,无法探测到。每1个Higgs->bb,您将从其他进程获得1000万个bb事件。

所以你必须使用低背景通道,希格斯粒子很少衰变(H->伽马,大约1/500,H->ZZ->ll,大约1/10000,H->WW, 1/100, ZZ和WW通道被高度抑制,因为希格斯粒子太轻了。

所以总结。质量越大意味着产生的能量越多,这就意味着从一开始就更难制造粒子。然而,一旦你有了足够的能量,大质量粒子就更容易被发现,因为它们的背景较低,所以更容易被发现。
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