PDF《希格斯玻色子最主要衰变过程的发现》

2018 年,希格斯玻色子的研究 热潮并未退却,实验物理学家陆续发现并证实了 希格斯粒子衰变成各种不同粒子(光子对、W玻色 子对、Z 玻色子和 τ 轻子对等过程)[18―30] ,这些已 经观察到的衰变虽有重要意义,但其在希格斯玻 色子的衰变中只占不到 30%;

希格斯玻色子衰变 成一对底夸克,才是其最频繁发生的主要衰变过 程,占比高达 58%.由于强子对撞机上胶子背景 事例数(g→bb)是信号的一千万倍以上,所以该衰 变道一直无法被实验观测确认. 在本文开头提到的 ATLAS 与CMS 实验联合 了多个希格斯玻色子产生过程的 H→bb 分析的结 果[5―17] ,其中包括胶子融合过程(ggF),矢量玻色 子融合过程(VBF),W/Z 玻色子对伴随产生过程 (W/Z+H),顶夸克对伴随产生过程(ttH).在此次 的分析中,ATLAS 与CMS 实验利用统计方法综 合了各个分析的结果,最终两个实验分别以超过

5 倍标准偏差的信号显著度首次发现 H→bb 衰变 道(图1)[5,12] .其中,中国ATLAS组的中国科学院 高能物理研究所在ggF与VBF过程的分析中作了 关键贡献.中国ATLAS组的山东大学、中国科学 技术大学、南京大学、上海交通大学和李政道研 究所等单位在 W/Z+H 过程的分析中作了关键贡 献.中国CMS组的中国科学院高能物理研究所在 ttH过程的分析中作了关键贡献.中国组所有成员 单位都对 ATLAS 与CMS 探测器运行维护以及硬 件升级等作出了重要贡献,而探测器(特别是像素 探测器)是有效探测底夸克的硬件基础.这项发现 填补对希格斯粒子认知的一大空白,并将进一步 证实解释夸克质量的希格斯机制. 高能物理研究所ATLAS组的贡献 H→bb 分析涉及多个产生过程,无法尽述. 下面主要介绍中国科学院高能物理研究所ATLAS 团队所主导的H→bb分析中的一部分,即VBF与ggF 过程的分析[6] .高能所团体在该过程的分析中 提出了一个新的实验技术路线. VBF 过程中 H→bb 数据分析有两种技术路 线,其中一种是传统的四喷注末态的技术路线, 如图 2(a)所示,该末态只有

4 个喷注而没有轻子 与光子,这种类型的末态在大型强子对撞上背景 事例非常多,特别是胶子喷注的背景(g→bb),信 噪比低,而且在实验上触发系统中记数率过高, 用通用的喷注触发很难有效地记录类似信号的 事例. 另外一种技术路线是本团队创新性提出的高 能光子末态子集(图2(b)).高能光子的引入大大 ・ ・

732 ・47卷(2018 年)

11 期图4 高能所ATLAS团队主导在矢量玻色子融合(VBF)过程 与胶子融合过程(ggF)中寻找 H→bb 衰变的分析 (a)在VBF+ggF过程中实际数据中的事例数随底夸克对不变质量 (mbb)的分布.其中,H→bb 衰变过程在不变质量谱的贡献 由红色虚线标出[6] ;

(b)实际数据中事例数与背景事例数的 差随底夸克对不变质量的分布,其中灰色的直方图为Z→bb 过程的贡献,红色直方图是H→bb衰变过程的贡献 减少了胶子背景事例,其原因是胶子是电中性粒 子,与光子没有相互作用,所以在 bbγ子集中胶 子背景的事例相对比较少,信号灵敏度高.而且 高能光子的引入能改进 VBF 过程信号的触发设 计,提高信号事例的触发效率. 通过比较两种技术路线预计的信噪比可知,高能所组提出的高能光子末态的技术路线 在信噪比与信号显著度上比传统的四喷注末态 的技术路线更加优越.图3为用新技术路线寻找 到的一个信号事件的事例展示.图4展示了该技 术路线在 VBF 和ggF 过程中寻找 H→bb 衰变的信 号灵敏度.VBF 与ggF 过程在这次发现中贡献约 两倍标准差的信号显著度[6] ,是此次发现的关键 一环. 希格斯玻色子最主要衰变过程的发现进一步 确认了希格斯玻色子是组成物质世界的基本粒子 (特别是夸克)的质量来源.高能物理前沿还有很 多基本问题与希格斯玻色子的研究关系密切:暗 物质的质量是从哪里来?中微子的质量是多少? 科学家普遍相信希格斯玻色子也是暗物质与中微 子的质量来源.通过进一步研究希格斯玻色子的 性质,有望能为物理学中其他一些基本问题提供 线索. 参考文献 [1] Englert F, Brout R. Phys. Rev. Lett., 1964, 13: