博科園：本文為粒子物理學類
CMS物理學家首次研究了頂夸克質量「運行」的效應，這是標準模型預測的一種基本量子效應。質量是基礎物理中最複雜的概念之一，經歷了漫長的概念發展歷史。質量最初在經典力學中被理解為慣性的量度，後來在狹義相對論中被解釋為能量的一種形式。質量在描述亞原子世界的現代量子場論中也有類似含義，粒子物理學的標準模型就是這樣一種量子場論，它可以描述所有已知基本粒子在大型強子對撞機的能量下的相互作用。
量子色動力學是標準模型的一部分，描述了核物質的基本成分：夸克和膠子的相互作用。這些粒子之間相互作用強度取決於稱為強耦合常數的基本參數。根據量子色動力學，強耦合常數在較高的能量尺度下迅速減小。這種效應被稱為漸近自由，而尺度演化被稱為「耦合常數的運行」。夸克的質量也是如此，夸克本身可以理解為基本耦合，例如與希格斯場的相互作用。在量子色動力學中，強耦合常數和夸克質量的運行可以預測，並且這些預測可以通過實驗驗證。
運行質量的實驗驗證是量子色動力學有效性的重要檢驗，在大型強子對撞機探測到的能量下，超出標準模型的物理效應，可能會導致質量運行效應的修改。因此，對這種效應的測量也是對未知物理學的探索。在過去的幾十年中，強耦合常數已經在很大範圍內得到了實驗驗證。此外，還發現了大量運行奇夸克和璨夸克的證據。通過一種新的測量，CMS合作首次研究了最重夸克（頂夸克）的質量運行情況：在不同能量標度下測量了頂夸克對(取決於頂夸克質量的量)的產生率。
從這個測量中，使用預測頂夸克-反夸克對產生速率的理論預測，在這些能量尺度上提取頂夸克質量。實驗上，通過搜索頂夸克-反夸克對的特定衰變產物來選擇有趣的頂夸克對碰撞。在絕大多數情況下，頂夸克衰變為高能射流和W玻色子，而W玻色子又可以衰變為輕子和中微子。射流和輕子可以被CMS探測器以高精度識別和測量，而中微子逃逸不被發現，並顯示自己丟失了能量。圖1顯示了在CMS探測器中看到很可能產生頂夸克-反夸克對的碰撞。這種碰撞預計包含一個電子、一個µ子、兩個高能射流和大量丟失的能量。
頂夸克質量的測量運行如圖2所示，標記對應於測量點，而紅線表示根據量子色動力學的理論預測。這一結果首次表明了頂夸克質量運行的基本量子效應的有效性，並為檢驗強相互作用的理解打開了一個新窗口。雖然在2021年從Run 3開始的未來LHC運行中將收集更多數據，但這個特定的CMS結果對來自量子色動力學中，頂夸克理論知識的不確定性非常敏感。為了見證頂夸克質量以更高的精度運行，或許還會揭示新物理的跡象，理論發展和實驗努力都是必要的。
博科園｜研究/來自：歐洲核子研究中心
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