如果希格斯粒子能到达隐谷我们将在下一代加速器中看到新的物理学

可能是著名的希格斯玻色子，共同负责大量基本粒子的存在，也与几十年来一直在寻找的新物理学世界相互作用。如果情况确实如此，希格斯粒子应该以一种特有的方式衰变，涉及奇异粒子。位于克拉科夫的波兰科学院核物理研究所表明，如果这种衰变确实发生，它们将在目前正在设计的大型强子对撞机的后继产品中观察到。

谈到“隐谷”时，我们首先想到的是龙，而不是可靠的科学。然而，在高能物理学中，这个生动的名字被赋予了某些模型，这些模型扩展了当前已知的基本粒子集。在这些所谓的隐谷模型中，标准模型描述的我们世界的粒子属于低能组，而奇异粒子则隐藏在高能区。理论上的考虑表明著名的希格斯玻色子的奇异衰变，尽管经过多年的探索，大型强子对撞机加速器仍未观察到这种情况。然而，

“在 Hidden Valley 模型中，我们有两组粒子被能垒隔开。该理论认为，在特定情况下，可能会有奇异的大质量粒子穿过这个屏障。像希格斯玻色子或假设的 Z' 玻色子这样的粒子将充当两个世界粒子之间的通信者。希格斯玻色子是标准模型中质量最大的粒子之一，是此类传播者的理想候选者，”《高能物理学杂志》上一篇文章的主要作者 Marcin Kucharczyk 教授 (IFJ PAN)介绍了有关在未来的轻子加速器中检测希格斯玻色子衰变的可能性的最新分析和模拟。

通讯器进入低能区后，会衰变成两个质量相当大的奇异粒子。这些粒子中的每一个都会以皮秒为单位——即万亿分之一秒——衰变成另外两个质量更小的粒子，然后它们将在标准模型中。那么未来加速器的探测器会出现什么迹象呢?希格斯粒子本身将不会被注意到，两个隐谷粒子也是如此。然而，奇异粒子会逐渐发散并最终衰变，随着粒子射流从轻子束的轴上偏移，通常会变成现代探测器中可见的夸克-反夸克美对。

“因此，对希格斯玻色子衰变的观察将包括寻找由夸克-反夸克对产生的粒子射流。然后必须对它们的轨道进行追溯重建，以找到外来粒子可能已经衰变的地方。这些地方，专业上称为衰变顶点，应该成对出现，并且相对于加速器中碰撞光束的轴有特征地移动。这些变化的大小取决于希格斯衰变期间出现的奇异粒子的质量和平均寿命等因素”，理学硕士 Mateusz Goncerz 说。(IFJ PAN)，相关论文的合著者。

目前世界上最大的粒子加速器 LHC 的质子碰撞能量高达数兆电子伏特，理论上足以产生能够跨越将我们的世界与隐谷分隔开的能量屏障的希格斯粒子。不幸的是，质子不是基本粒子——它们由三个被强相互作用束缚的价夸克组成，能够产生大量不断出现和消失的虚粒子，包括夸克-反夸克对。这种动态复杂的内部结构在质子碰撞中产生了大量的次级粒子，包括许多质量很大的夸克和反夸克。它们形成了一个背景，在这个背景下，几乎不可能从正在寻找的奇异希格斯玻色子衰变中找到粒子。

应该通过将加速器设计为大型强子对撞机的后继者，从根本上改进对可能的希格斯衰变到这些状态的检测：CLIC(紧凑型线性对撞机)和 FCC(未来圆形对撞机)。在这两种设备中，电子都可以与它们的反物质伙伴正电子碰撞(CLIC 专用于此类碰撞，而 FCC 也将允许质子和重离子碰撞)。电子和正电子没有内部结构，因此奇异的希格斯玻色子衰变的背景应该比大型强子对撞机弱。只有这样才能识别出有价值的信号吗?

在他们的研究中，来自 IFJ PAN 的物理学家考虑了 CLIC 和 FCC 加速器最重要的参数，并确定了具有四个美夸克和反夸克形式的终态的奇异希格斯衰变的概率。为了确保预测涵盖更广泛的模型组，外来粒子的质量和平均寿命被考虑在适当广泛的值范围内。结论出人意料地积极：所有迹象都表明，在未来的电子-正电子对撞机中，奇异的希格斯衰变背景甚至可以从根本上减少几个数量级，在某些情况下甚至可以忽略不计。

粒子通信子的存在不仅在 Hidden Valley 模型中是可能的，而且在标准模型的其他扩展中也是可能的。因此，如果未来加速器的探测器记录下与克拉科夫研究人员分析的希格斯衰变相对应的特征，这将只是理解新物理学的第一步。下一步将是收集足够多的事件，并确定可以与新物理学理论模型的预测进行比较的主要衰变参数。

“因此，我们工作的主要结论纯粹是实用的。我们不确定希格斯玻色子衰变中涉及的新物理粒子是否属于我们使用的隐谷模型。然而，我们已经将这个模型视为许多其他新物理学提议的代表，并且已经表明，如果如模型所预测的那样，希格斯玻色子衰变成奇异粒子，那么这种现象应该在那些电子和正电子对撞机中完全可见，这些对撞机是计划在不久的将来推出”，Kucharczyk 教授总结道。

相关研究由波兰国家科学中心的 OPUS 资助资助。

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