首次观测到顶夸克与希格斯粒子间的交互作用
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撰文｜陈劲豪
希格斯粒子(Higgs particle)是粒子物理的标准模型中最后一个被发现的粒子。希格斯粒子在2012年由ATLAS与CMS分别发现后，物理学家终于可以对希格斯粒子进行各种测量，并将实验结果与粒子物理的标准模型进行比对。根据标准模型，希格斯粒子赋予六种夸克质量。其中最引人注目的是希格斯粒子如何与六种夸克中最重的顶夸克（top quark）产生交互作用。
希格斯粒子的质量约为125GeV，而顶夸克的质量约为170GeV，若是单纯从能量守恒的角度来看，希格斯粒子是无法产生顶夸克的。但是根据量子力学，希格斯粒子可以因为扰动而转变成顶夸克对。因此研究顶夸克对与希格斯粒子同时出现的机率，可以协助物理学家了解顶夸克与希格斯粒子之间的耦合强度。
从实验物理学家的角度，研究这个顶夸克对与希格斯粒子同时出现的事件，也就是所谓的ttH事件是相当困难的事情。首先，大约只有1%的希格斯粒子会与顶夸克对同时产生，或是说，每一千对正反顶夸克对中，伴随着希格斯粒子一起出现的机率不到一次。接着，希格斯粒子跟顶夸克各自都有许多种的衰变模式。比如说，希格斯粒子可以衰变为两个Z粒子、两个W粒子，两个光子、两个tau子，或是两个底夸克喷流(bottom quark jet)。而顶夸克也有许多种的衰变模式。因此要研究ttH事件，必需要把所有可能的衰变模式都考虑进来，以增加找到ttH事件的机会。
因此LHC的CMS利用过去在7, 8,
13TeV的实验数据，尽可能的分析各种ttH的衰变模式，也就是考虑了希格斯粒子衰变为两个Z粒子、两个W粒子，两个光子、两个tau子，或是两个底夸克喷流的情形，并把这些结果合并在一起。这编列出来的五种衰变模式中，有些可以给出很清楚的希格斯粒子讯号，但是出现机率较低(例如双光子衰变)，或是出现机率较高，但是背景较大(例如衰变成两个底夸克喷流)。终于，CMS首先发表了观测到了ttH的实验证据，也就是超过了五个标准差。ATLAS不久之后也以类似的研究方式发表了类似的结果。重要的是，CMS与ATLAS两者的实验结果相互吻合，而且也与标准模型的预测一致
。
根据CMS的结果，希格斯粒子与顶夸克的耦合强度约略与标准模型所预测的一致。过去透过测量两个胶子透过虚顶夸克对而产生希格斯粒子的结果，也得到了类似的结果，因此这次的实验结果相当于再次而且是以直接测量的方式直接证实了希格斯粒子与顶夸克的耦合强度。
观测到ttH事件再次验证了标准模型的正确性。对物理学家来说，下一个要挑战的，将可能会是测量希格斯粒子与自己的作用力强度。透过测量希格斯粒子与自己的作用力强度，将有助于物理学家理解标准模型中，电弱相变化是如何产生的，且W与Z粒子是如何得到质量的。
原始论文：A. M. Sirunyan et al. (CMS Collaboration), “Observation of ttH Production,” Phys. Rev. Lett. 120, 231801 (2018).