CERN物理学家首次找到希格斯玻色子罕见衰变的证据

来自 CERN 大型强子对撞机 (LHC) 的 ATLAS 和 CMS 合作的物理学家独立地对稀有的希格斯玻色子衰变为 Z 玻色子和光子进行了广泛的搜索。

标准模型预测，如果希格斯玻色子的质量约为 1250 亿电子伏特 (GeV)，则大约 0.15% 的希格斯玻色子将衰变成 Z 玻色子和光子。但是一些扩展标准模型的理论预测了不同的衰减率。

因此，测量衰变率可以为超越标准模型的物理学和希格斯玻色子的性质提供有价值的见解。

此前，利用大型强子对撞机质子-质子碰撞的数据，ATLAS 和 CMS 独立地对希格斯玻色子衰变成 Z 玻色子和光子进行了广泛的搜索。

两次搜索都使用了类似的策略，通过 Z 玻色子衰变成成对电子或 μ 子——较重的电子版本——来识别 Z 玻色子。这些 Z 玻色子衰变发生在大约 6.6% 的情况下。

在这些搜索中，与这种希格斯玻色子衰变相关的碰撞事件将被识别为一个窄峰，在事件的平滑背景上，在衰变产物的组合质量分布中。

为了增强对衰变的敏感性，ATLAS 和 CMS 利用了产生希格斯玻色子的最常见模式，并根据这些产生过程的特征对事件进行了分类。

他们还使用先进的机器学习技术进一步区分信号和背景事件。

“ATLAS 和 CMS 合作在 2012 年发现了希格斯玻色子，随后进行了详细的测量程序，确认其耦合和其他特性与标准模型中预测的一致，”他们说。

“然而，有几个希格斯玻色子衰变通道，包括 H → Zγ，它们的预测分支分数很小，尚未被观察到。”

“这些渠道还为标准模型之外的物理学可能产生的贡献提供了探测。”

“在标准模型中，对于接近 125 GeV 的希格斯玻色子质量，H → Zγ 衰变预计会有一个小的分支分数，约为 1.5*10 −3 。”

“随着 H → Zγ 衰变通过循环图进行，它对标准模型之外的几个场景中的修改很敏感，这会导致分支分数与标准模型值不同。”

“示例包括希格斯玻色子是不同来源的中性标量、复合态或伪南部-戈德斯通玻色子的模型。”

“由于它们通过环路校正做出的贡献，具有额外的无色带电标量、轻子或矢量玻色子耦合到希格斯玻色子的模型也预计会出现不同的分支分数。”

在新的研究中，ATLAS 和 CMS 团队现已联手最大限度地提高他们的搜索结果。

通过结合 2015 年至 2018 年 LHC 第二次运行期间两个实验收集的数据集，他们显着提高了统计精度和搜索范围。

这种协作努力导致了希格斯玻色子衰变成 Z 玻色子和光子的第一个证据。

结果具有 3.4 个标准差的统计显着性，低于 5 个标准差的常规要求。

测得的信号速率比标准模型预测值高 1.9 个标准差。

ATLAS 物理协调员 Pamela Ferrari 说：“每个粒子都与希格斯玻色子有着特殊的关系，这使得寻找稀有的希格斯衰变成为重中之重。”

“通过对 ATLAS 和 CMS 各自结果的精心组合，我们朝着解开希格斯玻色子的又一个谜团迈出了一步。”

“新粒子的存在可能会对罕见的希格斯衰变模式产生非常显着的影响，”CMS 物理协调员 Florencia Canelli 补充道。

“这项研究是对标准模型的有力检验。随着大型强子对撞机的第三次运行和未来的高亮度大型强子对撞机，我们将能够提高这项测试的精度，并探测更罕见的希格斯衰变。”