大型強子對撞機上的實驗進展

近日，歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(Large Hadron Collider，LHC)結(jié)束了第二個運行期(RUN2)的實驗。計劃停機兩年進行加速器和探測器升級后，于2021 年開始第三個運行期(RUN3)的科學(xué)實驗。相對第一運行期(RUN1)的7 TeV和8 TeV，在這個運行期內(nèi)質(zhì)子對撞的質(zhì)心系能量提高到13 TeV，兩個大型通用探測器ATLAS和CMS各自獲取了積分亮度約160 fb-1的數(shù)據(jù)，專門用于底夸克實驗的LHCb 探測器獲取了6 fb-1。高能相對論重離子對撞實驗ALICE也按計劃順利運行(本文限于篇幅將不涉及相關(guān)內(nèi)容)。除了實驗數(shù)據(jù)獲取，加速器專家們還在不同運行參數(shù)下試驗了LHC 的性能， 為未來升級到高亮度(HL-LHC)提供了技術(shù)準(zhǔn)備。

LHC將人類對微觀世界的探索帶到了一個新的領(lǐng)地，在這里粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型理論再一次取得了重大成功，迄今為止LHC上的所有實驗結(jié)果均與理論預(yù)言一致。作為其中的一個例子，圖1給出了高能質(zhì)子對撞中一些過程的反應(yīng)截面的測量值與理論值的比較[1]，不同過程間相差超過八個數(shù)量級，在這樣一個跨度上理論預(yù)言與實驗測量高度符合。

圖1 LHC上高能質(zhì)子對撞過程的產(chǎn)生截面

標(biāo)準(zhǔn)模型取得巨大成功的同時，來自理論本身和天文觀測結(jié)果所帶來的問題也表明一定存在超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。LHC 實驗上發(fā)現(xiàn)Higgs粒子后，尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理現(xiàn)象成為當(dāng)代粒子物理前沿研究的最重要目標(biāo)，這也是當(dāng)前和未來LHC實驗的主要科學(xué)目標(biāo)。Higgs 粒子是標(biāo)準(zhǔn)模型中唯一的標(biāo)量粒子(自旋角動量為0)，與電弱對稱性自發(fā)破缺和基本粒子起源等本原問題直接相關(guān)，這也意味著研究Higgs 粒子是探索超出標(biāo)準(zhǔn)新物理的重要渠道； 直接探測超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子是在LHC上探索新物理的另一重要途徑，也是兩個高能前沿實驗ATLAS 和CMS的主要科學(xué)目標(biāo)； LHCb 實驗的目標(biāo)則是間接發(fā)現(xiàn)新物理。在LHC的高能質(zhì)子對撞過程中會產(chǎn)生大量含重夸克的強子，測量這些粒子的衰變性質(zhì)可以對標(biāo)準(zhǔn)模型進行精確的實驗檢驗，從而探索新物理的跡象。LHCb實驗還可以進行強子譜等實驗研究。

ATLAS，CMS和LHCb實驗引領(lǐng)著當(dāng)代粒子物理前沿研究，本文介紹這幾個實驗在Higgs 粒子性質(zhì)研究和新物理直接尋找、重味物理和強子譜研究的近期進展情況。由于數(shù)據(jù)的處理和分析需要一定的時間才能完成，預(yù)期各實驗組基于全部RUN1 和RUN2 數(shù)據(jù)的物理分析要到2020 年前后才會陸續(xù)完成，目前已有的大都還是基于一部分數(shù)據(jù)的階段性結(jié)果。

2 Higgs 物理和新粒子尋找

精確測量Higgs 粒子屬性是LHC實驗最重要的課題。綜合ATLAS和CMS已有的測量結(jié)果，2018年的粒子表中[2]給出的Higgs粒子質(zhì)量測量值為125.18 ± 0.16 GeV/c2 ，其精度已經(jīng)接近千分之一。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，Higgs 粒子的質(zhì)量是一個自由參數(shù)，這個參數(shù)的精確測定顯著提高了標(biāo)準(zhǔn)模型理論的預(yù)言能力，對超出標(biāo)準(zhǔn)模型的理論給出了更強的限制[3]。另外，現(xiàn)有的測量結(jié)果支持實驗上發(fā)現(xiàn)的這個Higgs 粒子的自旋為0，CP宇稱為+，符合標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言。

關(guān)于Higgs 粒子性質(zhì)研究的核心任務(wù)是測量其與其他基本粒子過程的耦合常數(shù)，由于很多新物理模型預(yù)言這些耦合常數(shù)可以偏離標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言值，相關(guān)實驗受到特別的關(guān)注。在RUN1 期間，ATLAS和CMS實驗首先觀測到了Higgs 粒子衰變到雙光子、W玻色子對和Z 玻色子對的過程， 從而證實了Higgs 粒子的存在。接下來，Higgs 粒子到τ輕子對的衰變也在RUN1 中得到了確認[4]。進入RUN2 后，隨著數(shù)據(jù)量的大幅累積，兩個實驗組先后觀測到了Higgs 粒子與t 夸克對的伴隨產(chǎn)生過程，并從Higgs 粒子與規(guī)范玻色子對的伴隨產(chǎn)生過程中觀測到了Higgs 粒子到b 夸克對的衰變。另外，兩個實驗還對Higgs 粒子到μ輕子對等稀有衰變過程進行了尋找。假設(shè)在相關(guān)的產(chǎn)生和衰變過程中沒有超出標(biāo)準(zhǔn)模型新物理的貢獻，這些實驗結(jié)果可以用來測量Higgs 粒子與Higgs 與夸克對、輕子對以及W和Z 規(guī)范玻色子對的耦合常數(shù)[5]，圖2 中給出了ATLAS 實驗的測量值結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的比較，在實驗誤差范圍內(nèi)測量結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言，CMS實驗也給出了類似的結(jié)果。

圖2 Higgs 粒子與μ+μ-，τ+τ-，bbˉ，W+W-，ZZ，ttˉ 的耦合常數(shù)，數(shù)據(jù)點是實驗測量值，虛線是標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言

需要指出的是，目前實驗關(guān)于耦合常數(shù)的測量結(jié)果還不是很精確，實驗誤差大都在15%以上。很多超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理理論均預(yù)言這些耦合常數(shù)可能偏離標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言值，但一般都不超過5%，目前的實驗精度還不足以對這些理論進行實質(zhì)性的檢驗。精確測量Higgs 粒子與其他粒子的耦合強度、以及Higgs 粒子的自耦合強度，將貫穿LHC實驗的始終，同時也是下一代高能物理實驗的核心任務(wù)。

很多超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理理論都預(yù)言存在標(biāo)準(zhǔn)模型以外的新粒子，這些新粒子的產(chǎn)生和衰變均具有明顯的特征，因此成為尋找新物理的最直接信號。從標(biāo)準(zhǔn)模型出發(fā)，新物理的理論模型有很多，為LHC上的新粒子尋找提供了豐富的素材，而實驗結(jié)果也為判別理論模型提供了最直接的證據(jù)。在眾多的理論模型中，基于超對稱的唯象模型受到了實驗較多的關(guān)注。實驗上目前沒有發(fā)現(xiàn)超對稱粒子的跡象，ATLAS和CMS實驗據(jù)此得出了超對稱粒子的質(zhì)量下限和對一些超對稱模型參數(shù)空間的排除限[6]。雖然從實驗結(jié)果推斷這些粒子的質(zhì)量下限時會強烈依賴理論模型，但大致可以說在TeV 能區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)超對稱粒子，這對一些簡單的超對稱理論模型提出了一定的挑戰(zhàn)。在LHC實驗上，對超對稱以外的其他理論模型也進行了大量的實驗研究，與尋找超對稱模型的結(jié)果類似，目前還沒有發(fā)現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)模型新粒子的跡象。

3 味物理和強子譜

在ATLAS 和CMS 實驗直接尋找新物理的同時，LHCb 實驗的目標(biāo)則是間接發(fā)現(xiàn)新物理。在LHC的高能質(zhì)子對撞過程中會產(chǎn)生大量含重夸克(b 夸克或c 夸克)的強子，測量這些粒子的衰變性質(zhì)可以對標(biāo)準(zhǔn)模型進行精確的實驗檢驗，從而發(fā)現(xiàn)新物理的跡象，這類探索通常被稱為味物理研究。這方面的內(nèi)容非常豐富，自LHC 運行以來LHCb 進行了大量的相關(guān)測量，大大加深了我們對夸克間的轉(zhuǎn)化過程的理解。

近期最重要的結(jié)果是關(guān)于粲介子電荷—宇稱聯(lián)合變換(CP)對稱性破壞的發(fā)現(xiàn)[7]。基本粒子過程中的CP 破壞現(xiàn)象是解釋宇宙中正反物質(zhì)不對稱的關(guān)鍵一環(huán)，很多超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理理論預(yù)言存在新的CP 破壞物理機制，對此類過程的精確測量是探索新物理的重要手段。之前的實驗已經(jīng)確認在奇異強子(含s 夸克)和底強子(含b 夸克)的衰變過程中存在CP破壞現(xiàn)象，標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)期粲強子(含c夸克)的CP破壞強度遠遠低于奇異強子和底強子，實驗上的難度很大。

LHCb發(fā)現(xiàn)粲介子的CP破壞大約1.5 × 10-3 ，與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)期一致。首次確認粲介子中的CP破壞現(xiàn)象具有重要意義，相關(guān)研究可以在一個新的領(lǐng)域內(nèi)開展。LHCb 實驗近年來在強子譜研究上頗有建樹，五夸克態(tài)、雙粲重子以及一批新的強子激發(fā)態(tài)的發(fā)現(xiàn)為相關(guān)研究注入了新的活力。近期最受關(guān)注的是關(guān)于五夸克態(tài)的實驗進展[8]。2015 年LHCb 發(fā)現(xiàn)五夸克態(tài)受到國際高能界的高度關(guān)注，但關(guān)于其性質(zhì)還有很多問題有待回答。新的研究利用了迄今為止LHCb 探測器采集的所有數(shù)據(jù)。通過重新優(yōu)化的事例選擇條件， Λb0 → J/ψpK-信號的接收效率又得到了顯著提高，用于這次實驗分析的數(shù)據(jù)有效統(tǒng)計量比2015 年時幾乎增加了一個數(shù)量級，在低統(tǒng)計量時無法觀測到的細致結(jié)構(gòu)清晰地顯現(xiàn)出來：如圖3 所示，一個新的五夸克態(tài)Pc(4312)得到實驗確認，同時觀測到2015 年發(fā)現(xiàn)的五夸克結(jié)構(gòu)Pc(4450)實際上是由兩個質(zhì)量相近的共振態(tài)Pc(4440)和Pc(4457)疊加而成。

圖3 粲夸克偶素(J/ψ)和質(zhì)子(p)不變質(zhì)量譜中三個五夸克態(tài)信號。Λb0 → J/ψpK-事例按末態(tài)粒子相空間處的接收效率修正加權(quán)重

五夸克態(tài)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有很多的可能性，如緊束縛的五夸克態(tài)、重子—介子分子態(tài)等，當(dāng)然也可能是這些量子態(tài)的疊加。LHCb 實驗發(fā)現(xiàn)的這三個五夸克態(tài)的寬度都很窄，質(zhì)量略低于粲重子和反粲介子質(zhì)量之和，有可能是粲重子和反粲介子形成的束縛態(tài)，但目前也不能排除有其他可能的解釋。對五夸克粒子結(jié)構(gòu)的研究成為國際高能物理研究的前沿，為探索強相互作用非微擾性質(zhì)打開了一個新窗口。

4 總結(jié)和展望

自2010年LHC正式運行以來成果豐碩，Higgs粒子的發(fā)現(xiàn)使標(biāo)準(zhǔn)模型得到確立的同時，又開啟了尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型新物理的科學(xué)前沿。迄今為止，LHC的實驗結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)模型的理論預(yù)言。值得注意的是，LHC目前獲取的數(shù)據(jù)量還只是計劃中的5%，其中大量用于物理分析的只是1%，LHC實驗還僅僅處于起步階段，相信在未來20 年間LHC上的實驗會不斷地將高能前沿研究引向深入。

LHC 的建成使高能物理的實驗前沿達到了TeV 能區(qū)，這相當(dāng)于對微觀世界的探索達到了10-18米，人類對自然界的探索到達了一個全新的領(lǐng)域，這也是LHC的最重要的意義。LHC也許只能讓粒子物理的探索前進一小步，但這無疑是人類文明史上的一大步。