CMS物理學(xué)家首次研究了頂夸克質(zhì)量“運行”的效應(yīng)，這是標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測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，后來在狹義相對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)代量子場論中也有類似含義，粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型就是這樣一種量子場論，它可以描述所有已知基本粒子在大型強子對撞機的能量下的相互作用。
量子色動力學(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度取決于稱為強耦合常數(shù)的基本參數(shù)。根據(jù)量子色動力學(xué)，強耦合常數(shù)在較高的能量尺度下迅速減小。這種效應(yīng)被稱為漸近自由，而尺度演化被稱為“耦合常數(shù)的運行”?？淇说馁|(zhì)量也是如此，夸克本身可以理解為基本耦合，例如與希格斯場的相互作用。在量子色動力學(xué)中，強耦合常數(shù)和夸克質(zhì)量的運行可以預(yù)測，并且這些預(yù)測可以通過實驗驗證。
運行質(zhì)量的實驗驗證是量子色動力學(xué)有效性的重要檢驗，在大型強子對撞機探測到的能量下，超出標(biāo)準(zhǔn)模型的物理效應(yīng)，可能會導(dǎo)致質(zhì)量運行效應(yīng)的修改。因此，對這種效應(yīng)的測量也是對未知物理學(xué)的探索。在過去的幾十年中，強耦合常數(shù)已經(jīng)在很大范圍內(nèi)得到了實驗驗證。此外，還發(fā)現(xiàn)了大量運行奇夸克和璨夸克的證據(jù)。通過一種新的測量，CMS合作首次研究了最重夸克（頂夸克）的質(zhì)量運行情況：在不同能量標(biāo)度下測量了頂夸克對(取決于頂夸克質(zhì)量的量)的產(chǎn)生率。
從這個測量中，使用預(yù)測頂夸克-反夸克對產(chǎn)生速率的理論預(yù)測，在這些能量尺度上提取頂夸克質(zhì)量。實驗上，通過搜索頂夸克-反夸克對的特定衰變產(chǎn)物來選擇有趣的頂夸克對碰撞。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探測器以高精度識別和測量，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探測器中看到很可能產(chǎn)生頂夸克-反夸克對的碰撞。這種碰撞預(yù)計包含一個電子、一個μ子、兩個高能射流和大量丟失的能量。
頂夸克質(zhì)量的測量運行如圖2所示，標(biāo)記對應(yīng)于測量點，而紅線表示根據(jù)量子色動力學(xué)的理論預(yù)測。這一結(jié)果首次表明了頂夸克質(zhì)量運行的基本量子效應(yīng)的有效性，并為檢驗強相互作用的理解打開了一個新窗口。雖然在2021年從Run 3開始的未來LHC運行中將收集更多數(shù)據(jù)，但這個特定的CMS結(jié)果對來自量子色動力學(xué)中，頂夸克理論知識的不確定性非常敏感。為了見證頂夸克質(zhì)量以更高的精度運行，或許還會揭示新物理的跡象，理論發(fā)展和實驗努力都是必要的。
博科園｜研究/來自：歐洲核子研究中心
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