近日歐洲核子研究中心（CERN）大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上的ATLAS和CMS實(shí)驗(yàn)在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上發(fā)布基于全部Run2數(shù)據(jù)的首個(gè)實(shí)驗(yàn)組聯(lián)合測(cè)量：觀測(cè)到希格斯玻色子衰變到Zγ末態(tài)稀有衰變的跡象[1]。
中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所ATLAS和CMS兩支團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)研究中分別做出了關(guān)鍵性的貢獻(xiàn)。黃燕萍研究員從2013年就一直從事希格斯玻色子稀有衰變H→Zγ的尋找，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)完成了ATLAS實(shí)驗(yàn)中最新的稀有衰變H→Zγ尋找[2]，隨后促成ATLAS和CMS兩個(gè)團(tuán)隊(duì)合作，完成了H→Zγ稀有衰變ATLAS-CMS的聯(lián)合尋找，團(tuán)隊(duì)成員賀明旭作了審核報(bào)告，前團(tuán)隊(duì)成員冉坤林（DESY Fellow）和韓碩（LBNL Fellow）分別擔(dān)任這個(gè)分析聯(lián)系人和編輯。陳明水研究員擔(dān)任LHC希格斯聯(lián)合分析組共同召集人，積極推動(dòng)聯(lián)合測(cè)量研究，組織協(xié)調(diào)基礎(chǔ)科學(xué)中心團(tuán)隊(duì)在其中做出了重要貢獻(xiàn)。此項(xiàng)成果是ATLAS和CMS基于Run2數(shù)據(jù)的首個(gè)希格斯聯(lián)合分析結(jié)果。
圖一：希格斯玻色子衰變到Zγ末態(tài)的費(fèi)曼圖
2012年ATLAS和CMS實(shí)驗(yàn)組利用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的質(zhì)子對(duì)撞數(shù)據(jù)，同時(shí)宣布了希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)，這也是粒子物理的重要里程碑?；诟呓y(tǒng)計(jì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，ATLAS和CMS分別研究希格斯粒子的不同產(chǎn)生和衰變過(guò)程，對(duì)希格斯粒子的性質(zhì)進(jìn)行全面測(cè)量，但仍有很多稀有衰變過(guò)程尚未得到實(shí)驗(yàn)上的確認(rèn)。希格斯粒子通過(guò)圈圖相互作用衰變到Zγ末態(tài)，如圖一所示，許多理論預(yù)言這個(gè)圈圖中可能存在新粒子，比如額外的無(wú)色帶電標(biāo)量粒子、輕子或者矢量玻色子。因此H→Zγ過(guò)程的尋找對(duì)于理解Higgs參與的圈圖作用機(jī)制，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型，并探索可能的新物理都具有非常重要的意義。
圖二：ATLAS和CMS聯(lián)合測(cè)量H→Zγ稀有衰變過(guò)程的Zγ質(zhì)量譜
在標(biāo)準(zhǔn)模型中，希格斯玻色子衰變到Zγ末態(tài)的幾率只有0.15%。結(jié)合這個(gè)過(guò)程的信噪比，當(dāng)前的研究?jī)H考慮了Z玻色子衰變到兩電子或者兩繆子末態(tài)，即大約一萬(wàn)個(gè)希格斯粒子中僅有一個(gè)H→Zγ的信號(hào)事例。ATLAS和CMS合作組都充分利用H→Zγ這個(gè)信號(hào)的動(dòng)力學(xué)特性，探測(cè)器的響應(yīng)和屬性以及多變量分析技術(shù)來(lái)尋找H→Zγ稀有衰變過(guò)程[2][3]。圖二展示了ATLAS和CMS基于Run2數(shù)據(jù)對(duì)H→Zγ稀有過(guò)程尋找的首個(gè)聯(lián)合測(cè)量結(jié)果，觀測(cè)到希格斯玻色子衰變到Zγ末態(tài)稀有衰變的跡象，相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)顯著性為3.4倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。
- Evidence for the Higgs boson decay to a Z boson and a photon at the LHC, PRL 132,021803(2024)
- A search for the Zy decay mode of the Higgs boson in pp collisions at √s=13TeV with the ATLAS detector, PLB 809 (2020) 135754
- Search for Higgs boson decays to a Z boson and a photon in proton-proton collision at √s=13TeV, JHEP 05 (2022)233
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