科研进展

高俊特别研究员提出研究希格斯粒子特性的新方案

2019年2月1日,上海交通大学物理与天文学院高俊特别研究员在国际权威物理学期刊《物理评论快报》上发表最近研究成果,以“Production and Hadronic Decays of Higgs Bosons in Heavy-Ion Collisions”为题发表有关相对论性重离子碰撞中希格斯玻色子的产生及强子化衰变。高俊研究员与合作者们首次指出在相对论性重离子碰撞实验中来研究希格斯玻色子相对于传统质子质子碰撞的重要区别:

1. 重离子碰撞中产生的夸克胶子等离子体可作为希格斯粒子寿命的探针;

2. 夸克胶子等离子体可以有效地过滤掉希格斯信号相关的标准模型背景过程。

文章同时还结合正在进行的大型强子对撞机LHC实验以及将来可能的高能对撞机实验给出了对希格斯粒子相关特性测量的预期。PRL分区编辑高度评价了文中所提想法的原创性和重要性,“This is an elegant and novel idea, which in addition to its discovery potential - has the additional and important benefit of bringing closer together two important sub-branches of hadronic physics.”;

审稿人也高度评价了文章对希格斯粒子相关研究的推动作用,“In my opinion this paper opens new possibilities for further Higgs studies in heavy-ion collisions, and thereby it advances the thinking in the field.”。

文章还被粒子物理领域知名专家牛津大学Gavin Salam教授在LHCP2018大会上的理论总结报告中重点介绍。

图注:(上)希格斯粒子在相对论性重离子碰撞中产生及强子化衰变过程示意图;(下)希格斯信号及背景的关于末态双喷注不变质量的分布,以及预期在不同对撞机上信号统计显示度随实验亮度的变化。

随着希格斯粒子的发现,未来几十年间粒子物理领域的一大重要挑战即是精确测量希格斯粒子的各项特性,以期发现可能的超出标准模型的新物理或是给出关于新物理能标的重要信息。目前欧洲核子研究中心的大型强子对撞机LHC实验,包括交大的ATLAS实验团队,正在进行相关的研究。这其中两个极具挑战性的课题即是希格斯粒子寿命或衰变宽度的测量,以及希格斯粒子与费米子的Yukawa耦合的测量。这其中费米子的Yukawa耦合直接决定了电子的质量以及核子的质量差异,从而直接影响了物质世界的存在形式。然而由于这一耦合对于前两代费米子而言相当之小,同时也受到大量标准模型背景的影响,在LHC实验上精确测量的难度很大。而希格斯粒子的寿命可达1.56×10-22s(换算成衰变宽度约4 MeV),无论从时间还是能量上来看都是远小于目前实验直接探测的分辨率。与此同时在LHC上还进行着另一项重要的实验研究,即通过极高能的重离子碰撞(不同于通常的质子质子碰撞)来重复宇宙极早期的高温高密环境,研究特殊的物质形态,夸克胶子等离子体(QGP)的各项性质。在发表论文中,高俊研究员与合作者首次指明如果同样在重离子碰撞环境中研究希格斯粒子的产生及随之的强子化衰变,将会带来新的变化。基于以下考虑,QGP时间演化的固有尺度大致为1.5-3×10-23s,高能强子喷注(Jet)在QGP中穿行时将会由于与介质的相互作用而损失部分能量(喷注淬火),高俊研究员与合作者指出,通过实验上看希格斯粒子衰变的强子喷注信号强度是否受QGP影响可以来判定希格斯粒子是否具有如标准模型所预言的长寿命。此外,实验上研究希格斯与底夸克的Yukawa耦合时,由于标准模型的喷注背景过程都是发生在<<3×10-24s的时间尺度上,从而必然会受QGP影响而强度降低,这样可以预期得到研究Yukawa耦合的更高信噪比。    

高俊研究员为本研究课题的主要发起人和完成人。论文的合作者包括美国Argonne国家实验室的Edmond Berger资深研究员,中科院高能物理研究所的张昊研究员,以及交大的博士后Adil Jueid博士。本课题获得了国家自然科学基金委、中组部青年千人计划等经费资助,在此深表感谢!

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.041803