大型強子對撞機以無可比擬的精度測量頂夸克的質(zhì)量

對頂夸克質(zhì)量是一種精確了解對于了解我們最小尺度的世界的方式。盡可能密切地了解這個最重的基本粒子是至關(guān)重要的，因為它可以測試所有基本粒子的數(shù)學(xué)描述的內(nèi)部一致性，這被稱為標(biāo)準模型。

在大型強子對撞機中產(chǎn)生的頂夸克對的經(jīng)典特征是四個射流（黃色錐體）、一個μ介子（紅線，CMSμ介子探測器也探測到紅框），以及一個中微子的缺失能量（粉色箭頭）。

例如，如果W玻色子和希格斯玻色子的質(zhì)量是準確的，那么頂夸克的質(zhì)量就可以由標(biāo)準模型預(yù)測出來。同樣地，利用頂夸克和希格斯玻色子的質(zhì)量，可以預(yù)測W玻色子的質(zhì)量。有趣的是，盡管取得了許多進展，但理論物理學(xué)對質(zhì)量的定義，即與量子物理學(xué)修正的影響有關(guān)的定義對頂夸克來說仍然很難確定。

值得注意的是，我們對宇宙穩(wěn)定性的了解取決于我們對希格斯玻色子和頂夸克質(zhì)量的綜合了解。我們只知道，以目前對頂夸克質(zhì)量的測量精度來看，宇宙非常接近于一個可轉(zhuǎn)移的狀態(tài)。如果頂夸克的質(zhì)量哪怕是稍有不同，那么從長遠來看，宇宙將不那么穩(wěn)定，有可能最終在一個類似于大爆炸的事件中消失。

為了對頂夸克質(zhì)量進行最新的測量，利用CMS探測器在2016年收集的質(zhì)子-質(zhì)子LHC對撞的數(shù)據(jù)，CMS團隊測量了產(chǎn)生一對頂夸克的對撞事件的五個不同屬性，而不是之前分析中測量的最多三個屬性。這些屬性取決于頂夸克的質(zhì)量。

此外，研究小組對CMS數(shù)據(jù)進行了極其精確的校準，并對剩余的實驗和理論不確定性及其相互依賴性有了深入了解。通過這種創(chuàng)新方法，所有這些不確定性也在決定頂夸克質(zhì)量最終值的數(shù)學(xué)擬合過程中被提取出來，這意味著一些不確定性可以被更準確地估計。結(jié)果是171.77±0.38 GeV，與之前的測量結(jié)果和標(biāo)準模型的預(yù)測結(jié)果一致。

CMS合作組織通過這種測量頂夸克質(zhì)量的新方法實現(xiàn)了一個重大飛躍。對不確定性的尖端統(tǒng)計處理和對更多屬性的使用極大地改善了測量結(jié)果。當(dāng)新方法被應(yīng)用于CMS探測器在2017年和2018年記錄的更廣泛的數(shù)據(jù)集時，預(yù)計會有另一個大的進步。