【科研进展】最复杂末态：ATLAS实验首次揭示双希格斯玻色子的多轻子末态
科学与技术 /Science Technology
希格斯玻色子于2012年由ATLAS和CMS国际合作组同时发现，并因此荣获2013年诺贝尔物理学奖。作为标准模型中唯一具有自耦合性质的粒子，希格斯玻色子的研究一直是粒子物理学的前沿研究方向。双希格斯玻色子产生态是唯一能够直接研究希格斯自耦合性质的实验途径。通过对双希格斯玻色子的研究，科学家们不仅能够进一步检验标准模型的准确性，还能够对宇宙是否处于稳态或亚稳态提供关键的限制条件，这对于理解宇宙的起源、演化和未来具有深远的意义。双希格斯玻色子的相关研究已经逐渐成为高能物理领域的核心课题之一。最近，ATLAS实验首次在多轻子末态下对双希格斯玻色子产生态进行探测。多轻子末态是当前对撞机实验中最为复杂的末态之一。通过这项前瞻性的研究，ATLAS研究团队为双希格斯玻色子产生的信号强度设定了最新上限，并对自耦合强度给出了新的限制。这一成果不仅为我们深入理解希格斯玻色子的自耦合性质及其在标准模型中的核心角色奠定了坚实基础，还为探索新物理开辟了崭新的途径。
在大型强子对撞机上，希格斯玻色子的产生是一个极为罕见的事件。具体来说，大约每16.5亿次质子碰撞中才能产生一个希格斯玻色子。而要在同一事件中产生一对希格斯玻色子（即双希格斯玻色子），其发生概率更加稀有，大约每2.58万亿次质子碰撞中才能产生一个双希格斯玻色子事件。在双希格斯玻色子产生的过程中，每个希格斯玻色子可能会迅速衰变为W玻色子、Z玻色子或陶轻子等，最终形成复杂的反应末态。这些末态包含了多个轻子、喷注、光子以及中微子，进一步增加了信号的复杂性和探测难度。因此，在如此庞大的背景事件中寻找双希格斯玻色子信号，要求实验设备具有极高的灵敏度，并需要利用先进的分析技术对数据进行深度处理，以从海量的背景噪声中提取出极其微弱的双希格斯玻色子信号（图一）。
图一 双希格斯玻色子衰变到多轻子末态的事件图。该事件显示了ATLAS探测器在13 TeV碰撞能量下记录的一个双希格斯玻色子衰变为三个末态轻子的候选事件。图中显示了2个缪子（绿色线），1个电子（红色线），一个粒子喷注（灰色锥形）和丢失横动量（品红色虚线）。内部径迹探测器中带电粒子的重建轨迹显示为青色线。电磁量能器（绿色圆环）和强子量能器（红色圆环）种的能量沉积显示为黄色方块。缪子探测器（外部蓝色层）中的能量沉积则显示为浅蓝色方块。（来源，ATLAS国际合作组）
在本项研究中，ATLAS研究团队对大型强子对撞机在13 TeV能量下累积的140fb-1质子对撞数据进行了深入分析，聚焦于含有两个及以上轻子的末态（其中至少有两个轻子具有相同电荷）。研究团队将多轻子末态划分为9个不同的子通道来涵盖不同类型的复杂末态，并针对不同子通道进行了单独的分析，然后再加以综合。研究团队首次在多轻子末态中采用了多变量分析技术，充分利用了事件中的多重特征，显著增强了信号的灵敏度。在多轻子末态的分析中，伪轻子（由探测误差导致）背景的估计尤为重要。研究团队采用了数据驱动的方法，在35个背景区域内对伪轻子信号进行了精确建模，大大减少了系统测量误差。值得注意的是，本项研究是人们第一次对极其复杂的双希格斯玻色子的多轻子末态进行系统和全面的分析，展示了对多个子通道结果进行联合分析的重要性。
图二：双希格斯玻色子信号强度𝜇𝐻𝐻的95%置信度上限分布图。实验观测值为实心圆点，无信号的期望值为空心圆点（𝜇𝐻𝐻=0），标准模型信号的期望值为虚线（𝜇𝐻𝐻 = 1）。青蓝色和橘黄色色带分别表示了±1𝜎和±2𝜎的上限误差变化范围（来自统计和系统测量误差）。结果分别展示了多轻子末态（ML）的多个子通道、多轻子末态的综合结果、光子和多轻子末态（𝛾𝛾+ML）的综合结果，以及所有通道的综合结果。（来源，ATLAS国际合作组）
希格斯玻色子于2012年由ATLAS和CMS国际合作组同时发现，并因此荣获2013年诺贝尔物理学奖。作为标准模型中唯一具有自耦合性质的粒子，希格斯玻色子的研究一直是粒子物理学的前沿研究方向。双希格斯玻色子产生态是唯一能够直接研究希格斯自耦合性质的实验途径。通过对双希格斯玻色子的研究，科学家们不仅能够进一步检验标准模型的准确性，还能够对宇宙是否处于稳态或亚稳态提供关键的限制条件，这对于理解宇宙的起源、演化和未来具有深远的意义。双希格斯玻色子的相关研究已经逐渐成为高能物理领域的核心课题之一。最近，ATLAS实验首次在多轻子末态下对双希格斯玻色子产生态进行探测。多轻子末态是当前对撞机实验中最为复杂的末态之一。通过这项前瞻性的研究，ATLAS研究团队为双希格斯玻色子产生的信号强度设定了最新上限，并对自耦合强度给出了新的限制。这一成果不仅为我们深入理解希格斯玻色子的自耦合性质及其在标准模型中的核心角色奠定了坚实基础，还为探索新物理开辟了崭新的途径。
图三：希格斯自耦合因子κλ的似然函数（-2lnΛ）分布图。实验观测值为实线，期望值为黑色虚线，68%和95%置信度线为灰色虚线。青蓝色，橘黄色和黑色实线分别对应多轻子末态综合、光子和多轻子末态综合以及所有末态综合以后的结果。（来源，ATLAS国际合作组）
尽管首次测量结果未能在多轻子末态下发现双希格斯玻色子产生的显著信号，本次测量对双希格斯玻色子产生态的信号给出了较强的限制。测得的非共振希格斯玻色子对在置信度为95%的产生截面上限为标准模型预言值的17倍（期望值为11倍）（图二）。对于希格斯自耦合因子
该项结果作为亮点成果在第58届电弱相互作用和统一大会（Rencontres de Moriond）上首次公布，于近期被高能物理顶级学术期刊JOURNAL OF HIGH ENERGY PHYSICS接受发表。上海交通大学物理与天文学院粒子与核物理研究所的研究团队作为该分析的主要团队之一对事例选择、优化，背景估计，多变量分析和新物理寻找部分都做出了突出贡献。张宇雷博士生（已毕业）为最关键的三轻子通道分析的主要完成人之一，担任13.6 TeV碰撞能量下的多轻子末态的分析联络人（Analysis contact）以及希格斯和双希格斯联合物理组中多轻子末态小组的召集人（Subgroup convener）。李亮教授为双希格斯玻色子多轻子末态的子课题负责人，并担任ATLAS国际合作组论文编辑作者的共同联系人。莫岑博士生代表交大团队在近期召开的第十四届全国粒子物理学术会议上做了邀请报告。该项工作得到了国家重点基础研究发展计划的资助。
相关链接：
1. ATLAS国际合作组发表最新双希格斯玻色子多轻子末态的结果
https://atlas.cern/Updates/Briefing/Di-Higgs-Soup
2. CMS 国际合作组关于双希格斯玻色子多轻子末态的结果
https://cds.cern.ch/record/2879806
3. 第58届电弱相互作用和统一大会（Rencontres de Moriond）ATLAS和CMS国际合作组的重要成果
https://indico.in2p3.fr/event/32664/timetable/?view=standard_numbered#117-dihiggs-searches-in-atlas
4. 论文预印本：“利用ATLAS探测器在13 TeV质子对撞中，对含轻子、τ子和光子末态的非共振双希格斯玻色子产生态的寻找”
https://arxiv.org/abs/2405.20040
5. 中国物理学会高能物理分会第十四届全国粒子物理学术会议中关于双希格斯玻色子产生多轻子末态的报告
https://indico.ihep.ac.cn/event/21331/contributions/161763/
图文编辑：叶丹
责任编辑：叶丹、朱敏
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