大型强子对撞机的成果_大型强子对撞机上的实验进展

最近，欧洲粒子物理研究所(CERN)的大型强子对撞机(LHC)完成了第二运行期(RUN2)的实验。计划停两年升级加速器和探测器，然后在2021年第三运行期(RUN3)开始科学实验。与第一个运行期(RUN1)的7 TeV和8 TeV相比，在这个运行期内，质子碰撞的质心能量提高到13 TeV，ATLAS和CMS两个大型通用探测器分别获得了积分亮度约为160 fb-1的数据，专门用于底夸克实验的LHCb探测器获得了6 fb-1。高能相对论重离子碰撞实验ALICE也按计划顺利运行(限于篇幅，本文不涉及相关内容)。除了实验数据采集，加速器专家还测试了LHC在不同运行参数下的性能，为未来升级到高亮度(HL-LHC)提供了技术准备。

LHC把人类对微观世界的探索带到了一个新的领域，在这里粒子物理的标准模型理论再次取得了巨大的成功。到目前为止，LHC上的所有实验结果都与理论预测一致。作为例子，图1显示了高能质子碰撞中某些过程的反应截面的测量值和理论值之间的比较[1]。不同过程的差别在八个数量级以上，在这样的跨度内理论预测与实验测量高度一致。

图1 LHC高能质子碰撞过程截面图

在标准模型取得巨大成功的同时，理论本身和天文观测结果带来的问题也预示着一定会有超越标准模型的新物理出现。在LHC实验发现希格斯粒子后，发现标准模型之外的新物理现象成为当代粒子物理前沿研究的最重要目标，这也是当前和未来LHC实验的主要科学目标。希格斯粒子是标准模型中唯一的标量粒子(自旋角动量为零)，直接关系到弱对称性自发破缺、基本粒子起源等原始问题，这也意味着研究希格斯粒子是探索标准之外新物理的重要渠道；直接探测标准模型之外的新粒子是探索LHC上新物理的又一重要途径，也是ATLAS和CMS两个高能前沿实验的主要科学目标。LHCb实验的目标是间接发现新物理。在LHC高能质子碰撞过程中，将产生大量含有重夸克的强子。测量这些粒子的衰变性质可以准确地检验标准模型，探索新物理的迹象。LHCb实验也可以用于强子光谱学和其他实验研究。

ATLAS、CMS和LHCb实验引领当代粒子物理前沿研究。本文介绍了这些实验在希格斯粒子性质研究和直接寻找新物理、重口味物理和强子光谱学研究中的最新进展。由于数据处理和分析还需要一段时间才能完成，预计到2020年左右，将陆续完成基于各实验组所有RUN1和RUN2数据的物理分析，现有数据大多基于部分数据的阶段性结果。

2希格斯物理和新粒子搜索

精确测量希格斯粒子的性质是LHC实验中最重要的课题。结合ATLAS和CMS现有的测量结果，2018年粒子表[2]给出的希格斯粒子质量测量值为125.180.16 GeV/C2，其精度接近千分之一。在标准模型中，希格斯粒子的质量是一个自由参数，该参数的精确确定显著提高了标准模型理论的预测能力，对标准模型之外的理论给予了更强的约束[3]。另外，现有的测量结果支持实验中发现的这种希格斯粒子自旋为0的预测，称为CP，符合标准模型。

希格斯粒子性质研究的核心任务是测量它与其他基本粒子过程的耦合常数。因为许多新的物理模型预言这些耦合常数可以偏离标准模型的预测值，所以相关实验受到了特别的关注。在RUN1期间，ATLAS和CMS实验首次观测到了希格斯粒子衰变为双光子、W玻色子对和Z玻色子对的过程，从而证实了希格斯粒子的存在。接下来，在RUN1 [4]中也证实了希格斯粒子衰变为轻子对。进入RUN2后，随着数据的大量积累，两个实验组先后观测到了希格斯粒子和T夸克对的伴随产生过程，并从希格斯粒子和规范玻色子对的伴随产生过程中观测到了希格斯粒子衰变为B夸克对。此外，这两个实验还寻找了希格斯粒子到轻子的罕见衰变过程。假设在相关的产生和衰变过程中没有超出标准模型新物理的贡献，这些实验结果可以用来测量希格斯粒子和希格斯与夸克对、轻子对和W、Z规范玻色子对的耦合常数[5]。ATLAS实验的测量结果与标准模型的预测结果的对比如图2所示，在实验误差范围内，测量结果与标准模型的预测一致，CMS实验也给出了类似的结果。

图2希格斯粒子的耦合常数-， -，bbˉ，W W-，ZZ，ttˉ，数据点是实验测量，虚线是标准模型的预测。

需要指出的是，目前实验中耦合常数的测量结果并不是很准确，实验误差大多在15%以上。许多超越标准模型的新物理理论预言，这些耦合常数可能会偏离标准模型的预测值，但一般都小于5%，目前的实验精度还不足以实质性地检验这些理论。精确测量希格斯粒子与其他粒子的耦合强度，以及希格斯粒子的自耦合强度，将贯穿LHC实验，也是下一代高能物理实验的核心任务。

许多超越标准模型的新物理理论预言了标准模型之外新粒子的存在，而这些新粒子的产生和衰变具有明显的特征，因此成为发现新物理的最直接信号。从标准模型出发，出现了许多新物理的理论模型，为寻找LHC上的新粒子提供了丰富的素材，实验结果也为区分理论模型提供了最直接的证据。在众多理论模型中，基于超对称性的唯象模型在实验中更受关注。目前实验中没有超对称粒子的迹象，通过ATLAS和CMS实验得到了超对称粒子的质量下限和部分超对称模型参数空间的排斥极限[6]。虽然从实验结果推断这些粒子的质量下限会强烈依赖于理论模型，但是可以说在TeV能量区没有发现超对称粒子，这对一些简单的超对称理论模型提出了一定的挑战。在LHC实验中，对超对称以外的理论模型进行了大量的实验研究，这与寻找超对称模型的结果相似。目前还没有发现标准模型之外的新粒子的迹象。

3味物理学和强子谱

ATLAS和CMS实验直接寻找新物理，而LHCb实验的目标是间接发现新物理。在LHC的高能质子碰撞过程中，会产生大量含有重夸克(B夸克或C夸克)的强子。测量这些粒子的衰变性质可以准确地检验标准模型，发现新物理的迹象。这种探索通常被称为味觉物理研究。这方面的内容非常丰富。自LHC运行以来，LHCb进行了大量的相关测量，极大地加深了我们对夸克之间转化过程的理解。

近期最重要的成果是发现了charmon电荷-宇称联合变换(CP)的对称性破坏[7]。基本粒子过程中的CP破坏是解释宇宙反物质不对称性的关键环节。许多超越标准模型的新物理理论预言了CP破坏新物理机制的存在，而对这种过程的精确测量是探索新物理的重要手段。之前的实验已经证实，在奇异强子(包括S夸克)和底强子(包括B夸克)的衰变过程中都存在CP破坏。标准模型理论预言粲强子(包括C夸克)的CP破坏强度远低于奇强子和底强子，这在实验中是非常困难的。

LHCb发现粲介子的CP破坏约为1.5 10-3，与标准模型的预期一致。首次证实粲介子中的CP破坏现象具有重要意义，相关研究可以在新的领域开展。近年来，LHCb实验在强子谱研究方面取得了很大的成就。五夸克态、重子和一批新的强子激发态的发现，为相关研究注入了新的活力。最近最受关注的是五夸克态的实验进展[8]。2015年LHCb发现了五种夸克态，引起了国际高能界的极大关注，但关于其性质仍有许多问题有待解答。新的研究使用了迄今为止LHCb探测器收集的所有数据。通过重新优化的选例条件，B0j/PK-信号的接收效率得到了显著提高，本次实验分析所用数据的有效统计量比2015年几乎提高了一个数量级，低统计量下无法观测到的详细结构清晰出现：如图3所示，一个新的五夸克态Pc(4312)已经被实验证实，同时观测到了2015年发现的五夸克结构。

图3夸克-偶极(J/)和质子(P)不变质谱中的三个五夸克态信号。B0j/PK-根据最终粒子相空间的接收效率对情况进行加权。

五夸克态的内部结构有多种可能性，如紧束缚五夸克态、重子-介子分子态等。当然也可能是这些量子态的叠加。LHCb实验中发现的三个五夸克态的宽度很窄，它们的质量略低于粲重子和反物质的质量之和，可能是粲重子和反物质形成的束缚态，但目前不能排除其他可能的解释。五夸克粒子结构的研究已经成为国际高能物理研究的前沿，为探索强相互作用的非微扰性质打开了新的窗口。

4总结与展望

自2010年LHC正式运行以来，取得了丰硕的成果。希格斯粒子的发现不仅建立了标准模型，也开启了寻找标准模型之外的新物理的科学前沿。到目前为止，LHC的实验结果符合标准模型的理论预测。值得注意的是，LHC目前获得的数据量仅为计划量的5%，其中只有1%用于物理分析。LHC实验仍处于初级阶段，相信LHC上的实验将在未来20年继续深化高能前沿研究。

随着LHC的建立，高能物理的实验前沿达到了TeV能量区，相当于对微观世界的探索达到了10-18米，人类对自然的探索达到了一个全新的领域，这也是LHC最重要的意义。LHC在粒子物理学的探索中可能只前进了一小步，但它无疑是人类文明史上的一大步。