CMS物理学家首次研究了顶夸克质量“运行”的效应，这是标准模型预测的一种基本量子效应。质量是基础物理中最复杂的概念之一，经历了漫长的概念发展历史。质量最初在经典力学中被理解为惯性的量度，后来在狭义相对论中被解释为能量的一种形式。质量在描述亚原子世界的现代量子场论中也有类似含义，粒子物理学的标准模型就是这样一种量子场论，它可以描述所有已知基本粒子在大型强子对撞机的能量下的相互作用。
量子色动力学是标准模型的一部分，描述了核物质的基本成分：夸克和胶子的相互作用。这些粒子之间相互作用强度取决于称为强耦合常数的基本参数。根据量子色动力学，强耦合常数在较高的能量尺度下迅速减小。这种效应被称为渐近自由，而尺度演化被称为“耦合常数的运行”。夸克的质量也是如此，夸克本身可以理解为基本耦合，例如与希格斯场的相互作用。在量子色动力学中，强耦合常数和夸克质量的运行可以预测，并且这些预测可以通过实验验证。
运行质量的实验验证是量子色动力学有效性的重要检验，在大型强子对撞机探测到的能量下，超出标准模型的物理效应，可能会导致质量运行效应的修改。因此，对这种效应的测量也是对未知物理学的探索。在过去的几十年中，强耦合常数已经在很大范围内得到了实验验证。此外，还发现了大量运行奇夸克和璨夸克的证据。通过一种新的测量，CMS合作首次研究了最重夸克（顶夸克）的质量运行情况：在不同能量标度下测量了顶夸克对(取决于顶夸克质量的量)的产生率。
从这个测量中，使用预测顶夸克-反夸克对产生速率的理论预测，在这些能量尺度上提取顶夸克质量。实验上，通过搜索顶夸克-反夸克对的特定衰变产物来选择有趣的顶夸克对碰撞。在绝大多数情况下，顶夸克衰变为高能射流和W玻色子，而W玻色子又可以衰变为轻子和中微子。射流和轻子可以被CMS探测器以高精度识别和测量，而中微子逃逸不被发现，并显示自己丢失了能量。图1显示了在CMS探测器中看到很可能产生顶夸克-反夸克对的碰撞。这种碰撞预计包含一个电子、一个µ子、两个高能射流和大量丢失的能量。
顶夸克质量的测量运行如图2所示，标记对应于测量点，而红线表示根据量子色动力学的理论预测。这一结果首次表明了顶夸克质量运行的基本量子效应的有效性，并为检验强相互作用的理解打开了一个新窗口。虽然在2021年从Run 3开始的未来LHC运行中将收集更多数据，但这个特定的CMS结果对来自量子色动力学中，顶夸克理论知识的不确定性非常敏感。为了见证顶夸克质量以更高的精度运行，或许还会揭示新物理的迹象，理论发展和实验努力都是必要的。
博科园｜研究/来自：欧洲核子研究中心
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