实验首次发现了罕见的希格斯玻色子衰变的证据

来自ATLAS(左)和CMS(右)的希格斯玻色子衰变成Z玻色子和光子的候选事件，Z玻色子衰变成一对μ子。来源:欧洲核子研究中心

2012年，欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)发现了希格斯玻色子，这是粒子物理学的一个重要里程碑。从那时起，ATLAS和CMS合作一直在孜孜不倦地研究这种独特粒子的特性，并寻找它产生和衰变为其他粒子的不同方式。

在本周的大型强子对撞机物理(LHCP)会议上，ATLAS和CMS报告了他们是如何合作发现希格斯玻色子衰变为Z玻色子(弱力的电中性载体)和光子(电磁力的载体)的罕见过程的第一个证据。这种希格斯玻色子衰变可以提供间接证据，证明粒子物理学标准模型预测之外的粒子存在。

希格斯玻色子衰变成一个Z玻色子和一个光子的过程类似于衰变成两个光子的过程。在这些过程中，希格斯玻色子不会直接衰变成这些粒子对。相反，衰变是通过“虚拟”粒子的中间“循环”进行的，这些粒子的存在和消失是无法直接检测到的。这些虚粒子可能包括新的、尚未发现的与希格斯玻色子相互作用的粒子。

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，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，测量衰变速率为标准模型之外的物理学和希格斯玻色子的性质提供了有价值的见解。

此前，ATLAS和CMS利用大型强子对撞机的质子-质子碰撞数据，分别对希格斯玻色子衰变为Z玻色子和光子进行了广泛的搜索。这两项研究都使用了类似的策略，通过Z玻色子衰变成电子对或介子(更重的电子版本)来识别它。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，与希格斯玻色子衰变(信号)相关的碰撞事件将被识别为一个狭窄的峰值，在光滑的事件背景上，在衰变产物的总质量分布中。为了提高对衰变的灵敏度，ATLAS和CMS利用了产生希格斯玻色子的最频繁模式，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来进一步区分信号和背景事件。

在一项新的研究中，ATLAS和CMS现在已经联合起来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，合作大大提高了统计精度和搜索范围。

这种合作的努力产生了希格斯玻色子衰变为Z玻色子和光子的第一个证据。结果的统计显著性为3.4个标准差，低于常规要求的5个标准差。测量到的信号率比标准模型预测高出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，这使得寻找罕见的希格斯衰变成为当务之急。”“通过对ATLAS和CMS各自结果的细致结合，我们朝着解开希格斯玻色子的另一个谜题又迈进了一步。”

“新粒子的存在可能对罕见的希格斯衰变模式产生非常重大的影响，”CMS物理协调员弗洛伦西亚·卡内利说。“这项研究是对标准模型的有力检验。随着LHC正在进行的第三次运行和未来的高亮度LHC，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。”