科学探索|大型强子对撞机以无可比拟的精度测量顶夸克的质量大型强子对撞机以无可比拟的

【科学探索|大型强子对撞机以无可比拟的精度测量顶夸克的质量】大型强子对撞机（LHC）的CMS合作项目已经对顶夸克--已知最重的基本粒子的质量进行了有史以来最精确的测量。最新的CMS结果估计了顶夸克的质量值，精确度约为0.22% 。准确度的大幅提高来自于新的分析方法和改进的程序，以一致和同时处理测量中不同的不确定因素。
对顶夸克质量是一种精确了解对于了解我们最小尺度的世界的方式。尽可能密切地了解这个最重的基本粒子是至关重要的，因为它可以测试所有基本粒子的数学描述的内部一致性，这被称为标准模型。

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在大型强子对撞机中产生的顶夸克对的经典特征是四个射流（黄色锥体）、一个μ介子（红线， CMSμ介子探测器也探测到红框），以及一个中微子的缺失能量（粉色箭头）。
例如，如果W玻色子和希格斯玻色子的质量是准确的，那么顶夸克的质量就可以由标准模型预测出来。同样地，利用顶夸克和希格斯玻色子的质量，可以预测W玻色子的质量。有趣的是，尽管取得了许多进展，但理论物理学对质量的定义，即与量子物理学修正的影响有关的定义对顶夸克来说仍然很难确定。
值得注意的是，我们对宇宙稳定性的了解取决于我们对希格斯玻色子和顶夸克质量的综合了解。我们只知道，以目前对顶夸克质量的测量精度来看，宇宙非常接近于一个可转移的状态。如果顶夸克的质量哪怕是稍有不同，那么从长远来看，宇宙将不那么稳定，有可能最终在一个类似于大爆炸的事件中消失。
为了对顶夸克质量进行最新的测量，利用CMS探测器在2016年收集的质子-质子LHC对撞的数据， CMS团队测量了产生一对顶夸克的对撞事件的五个不同属性，而不是之前分析中测量的最多三个属性。这些属性取决于顶夸克的质量。
此外，研究小组对CMS数据进行了极其精确的校准，并对剩余的实验和理论不确定性及其相互依赖性有了深入了解。通过这种创新方法，所有这些不确定性也在决定顶夸克质量最终值的数学拟合过程中被提取出来，这意味着一些不确定性可以被更准确地估计。结果是171.77±0.38 GeV ，与之前的测量结果和标准模型的预测结果一致。
CMS合作组织通过这种测量顶夸克质量的新方法实现了一个重大飞跃。对不确定性的尖端统计处理和对更多属性的使用极大地改善了测量结果。当新方法被应用于CMS探测器在2017年和2018年记录的更广泛的数据集时，预计会有另一个大的进步。