CMS物理學(xué)家首次研究了頂夸克質(zhì)量“運(yùn)行”的效應(yīng)，這是標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的一種基本量子效應(yīng)。質(zhì)量是基礎(chǔ)物理中最復(fù)雜的概念之一，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的概念發(fā)展歷史。質(zhì)量最初在經(jīng)典力學(xué)中被理解為慣性的量度，后來(lái)在狹義相對(duì)論中被解釋為能量的一種形式。

質(zhì)量在描述亞原子世界的現(xiàn)代量子場(chǎng)論中也有類(lèi)似含義，粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型就是這樣一種量子場(chǎng)論，它可以描述所有已知基本粒子在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的能量下的相互作用。

量子色動(dòng)力學(xué)是標(biāo)準(zhǔn)模型的一部分，描述了核物質(zhì)的基本成分：夸克和膠子的相互作用。這些粒子之間相互作用強(qiáng)度取決于稱(chēng)為強(qiáng)耦合常數(shù)的基本參數(shù)。根據(jù)量子色動(dòng)力學(xué)，強(qiáng)耦合常數(shù)在較高的能量尺度下迅速減小。這種效應(yīng)被稱(chēng)為漸近自由，而尺度演化被稱(chēng)為“耦合常數(shù)的運(yùn)行”?？淇说馁|(zhì)量也是如此，夸克本身可以理解為基本耦合，例如與希格斯場(chǎng)的相互作用。在量子色動(dòng)力學(xué)中，強(qiáng)耦合常數(shù)和夸克質(zhì)量的運(yùn)行可以預(yù)測(cè)，并且這些預(yù)測(cè)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

運(yùn)行質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是量子色動(dòng)力學(xué)有效性的重要檢驗(yàn)，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)探測(cè)到的能量下，超出標(biāo)準(zhǔn)模型的物理效應(yīng)，可能會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量運(yùn)行效應(yīng)的修改。因此，對(duì)這種效應(yīng)的測(cè)量也是對(duì)未知物理學(xué)的探索。在過(guò)去的幾十年中，強(qiáng)耦合常數(shù)已經(jīng)在很大范圍內(nèi)得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此外，還發(fā)現(xiàn)了大量運(yùn)行奇夸克和璨夸克的證據(jù)。通過(guò)一種新的測(cè)量，CMS合作首次研究了最重夸克（頂夸克）的質(zhì)量運(yùn)行情況：在不同能量標(biāo)度下測(cè)量了頂夸克對(duì)(取決于頂夸克質(zhì)量的量)的產(chǎn)生率。

從這個(gè)測(cè)量中，使用預(yù)測(cè)頂夸克-反夸克對(duì)產(chǎn)生速率的理論預(yù)測(cè)，在這些能量尺度上提取頂夸克質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)上，通過(guò)搜索頂夸克-反夸克對(duì)的特定衰變產(chǎn)物來(lái)選擇有趣的頂夸克對(duì)碰撞。在絕大多數(shù)情況下，頂夸克衰變?yōu)楦吣苌淞骱蚖玻色子，而W玻色子又可以衰變?yōu)檩p子和中微子。射流和輕子可以被CMS探測(cè)器以高精度識(shí)別和測(cè)量，而中微子逃逸不被發(fā)現(xiàn)，并顯示自己丟失了能量。圖1顯示了在CMS探測(cè)器中看到很可能產(chǎn)生頂夸克-反夸克對(duì)的碰撞。這種碰撞預(yù)計(jì)包含一個(gè)電子、一個(gè)μ子、兩個(gè)高能射流和大量丟失的能量。

頂夸克質(zhì)量的測(cè)量運(yùn)行如圖2所示，標(biāo)記對(duì)應(yīng)于測(cè)量點(diǎn)，而紅線表示根據(jù)量子色動(dòng)力學(xué)的理論預(yù)測(cè)。這一結(jié)果首次表明了頂夸克質(zhì)量運(yùn)行的基本量子效應(yīng)的有效性，并為檢驗(yàn)強(qiáng)相互作用的理解打開(kāi)了一個(gè)新窗口。雖然在2021年從Run 3開(kāi)始的未來(lái)LHC運(yùn)行中將收集更多數(shù)據(jù)，但這個(gè)特定的CMS結(jié)果對(duì)來(lái)自量子色動(dòng)力學(xué)中，頂夸克理論知識(shí)的不確定性非常敏感。為了見(jiàn)證頂夸克質(zhì)量以更高的精度運(yùn)行，或許還會(huì)揭示新物理的跡象，理論發(fā)展和實(shí)驗(yàn)努力都是必要的。

博科園｜研究/來(lái)自：歐洲核子研究中心

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