ATLAS實(shí)驗(yàn)探索希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)渠道

在比利時(shí)根特舉行的歐洲物理學(xué)會(huì)高能物理學(xué)會(huì)議(EPS-HEP)上，歐洲核子研究中心的ATLAS協(xié)作組織使用完整的LHC Run 2數(shù)據(jù)集發(fā)布了希格斯玻色子屬性的新測量結(jié)果。重要的是，新的結(jié)果檢驗(yàn)了導(dǎo)致粒子在2012年被發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)希格斯玻色子衰變：H→ZZ *→4?，其中希格斯玻色子衰變?yōu)閮蓚€(gè)Z玻色子，反過來衰變?yōu)樗膫€(gè)輕子(電子或μ子); 和H→γγ，希格斯玻色子直接衰變成兩個(gè)光子。

雖然很少見，但這些通道很容易在ATLAS探測器中識(shí)別和測量，使物理學(xué)家能夠非常精確地研究希格斯玻色子的特性。特別是，它們提供了希格斯玻色子橫向動(dòng)量的新測量，可用于探測不同的希格斯生產(chǎn)機(jī)制以及可能與標(biāo)準(zhǔn)模型相互作用的偏差。

尋找黃金：對四輕子通道的新見解

H→ZZ *→4?衰變是希格斯玻色子的所謂“黃金通道”，因?yàn)樗哂兴锌赡艿南８袼共Ｉ铀プ兡Ｊ街凶钋逦?，最干凈的特征。由于Run 2的亮度增加，ATLAS在2015年至2018年間錄制了約300個(gè)“黃金通道”候選事件，其中三分之一預(yù)計(jì)將歸因于ZZ后臺(tái)流程。圖1中可以看到完整Run 2數(shù)據(jù)的選定四輕子事件的不變質(zhì)譜。

除了收集的事件數(shù)量增加外，ATLAS物理學(xué)家還對其分析進(jìn)行了改進(jìn)。雖然ZZ背景率先前是通過模擬估計(jì)的，與理論上的不確定性相關(guān)，但新的ATLAS結(jié)果使用數(shù)據(jù)直接評估背景貢獻(xiàn)。雖然保持背景上的總不確定性大致相同，但這顯著降低了測量的理論不確定性和模型依賴性。

ATLAS團(tuán)隊(duì)還引入了深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來區(qū)分哪些希格斯玻色子事件來自哪些生產(chǎn)機(jī)制。這種技術(shù)使ATLAS團(tuán)隊(duì)能夠改進(jìn)他們對Higgs玻色子是否是由一對膠子的共同融合(ggF-占希格斯玻色子衰變的87%)，或者兩個(gè)W或Z的罕見融合的識(shí)別。矢量玻色子(VBF-7%的衰變)或來自W或Z玻色子的輻射(VH-4%)。一旦成功識(shí)別，ATLAS物理學(xué)家就可以測量每個(gè)的生產(chǎn)截面。

VBF和VH生產(chǎn)模式可以通過它們產(chǎn)生的顆粒的“噴射”的分離和質(zhì)量來很好地區(qū)分。對于VBF，矢量玻色子由兩個(gè)夸克輻射，這兩個(gè)夸克在探測器中沿著射束方向和相對的半球形成高能射流。同時(shí)，VH生產(chǎn)模式也產(chǎn)生兩個(gè)噴射，具有W(80 GeV)或Z(91 GeV)玻色子的質(zhì)量。

然而，ggF生產(chǎn)中的膠子也可以輻射額外的噴射，從而模仿VBF和VH噴射對。這就是深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的用武之地。它們已被證明足夠靈活，可以同時(shí)分離ggF，VBF和VH，與以前的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)相比，重疊更少。在圖4中可以看到在四輕子通道中測量的Higgs產(chǎn)生橫截面，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，VBF橫截面測量值提高了20%。

兩盞燈看希格斯：研究雙光子通道

ATLAS物理學(xué)家還將新的和改進(jìn)的分析技術(shù)納入他們對希格斯玻色子衰變到一對光子(H→γγ)的研究中。特別是，增強(qiáng)的光子識(shí)別和噴射能量校準(zhǔn)導(dǎo)致相關(guān)的系統(tǒng)不確定性降低。用于識(shí)別光子并抑制來自強(qiáng)子衰變的不需要的光子候選的電磁噴淋形狀標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在已經(jīng)在光子橫向動(dòng)量的子范圍內(nèi)被優(yōu)化，因?yàn)樵谔綔y器中產(chǎn)生的陣雨取決于光子能量。這導(dǎo)致幾個(gè)百分點(diǎn)的靈敏度提高。

物理學(xué)家測量了對希格斯玻色子產(chǎn)生和衰變敏感的可觀察物的幾個(gè)微分截面，包括與希格斯玻色子相關(guān)產(chǎn)生的射流的運(yùn)動(dòng)學(xué)分布。希格斯玻色子和規(guī)范玻色子之間的超標(biāo)準(zhǔn)模型相互作用有望改變這些變量，為新物理提供了極好的測試。根據(jù)雙光子不變質(zhì)量分布(見圖3)中信號(hào)峰的事件收益率確定的包容性和差分橫截面測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測結(jié)果一致。ATLAS物理學(xué)家使用這些測量來約束希格斯玻色子與規(guī)范玻色子的假設(shè)超標(biāo)準(zhǔn)模型相互作用的強(qiáng)度。

此外，ATLAS物理學(xué)家能夠研究希格斯玻色子與魅力夸克之間的相互作用。希格斯玻色子還沒有被看作腐蝕夸克，在標(biāo)準(zhǔn)模型中預(yù)測它的速率比底部夸克低20倍，這是ATLAS和CMS在2018年首次觀察到的。但是，如果強(qiáng)度(由于一些新的物理過程，希格斯與魅力夸克相互作用的“耦合”或遠(yuǎn)大于預(yù)期，這將影響希格斯玻色子的測量動(dòng)量分布。物理學(xué)家尋找這種效應(yīng)的特征：與低希格斯玻色子動(dòng)量區(qū)域中的理論預(yù)期相比，數(shù)據(jù)過多(見圖4)。在數(shù)據(jù)中沒有觀察到這種過量。

圖4：來自兩個(gè)單獨(dú)通道(H→ZZ *→4?，H→γγ)及其組合的希格斯玻色子的橫向動(dòng)量(pT，H)的微分截面。圖片來源：ATLAS Collaboration / CERN

綜合洞察力

用H→γγ衰變通道測得總希格斯玻色子產(chǎn)生截面為56.7±6.3 pb，用H→ZZ *→4?通道測得54.4±5.6 pb。結(jié)合兩個(gè)通道，總橫截面為55.4±4.3 pb，與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測值55.6±2.5 pb一致。兩個(gè)通道中希格斯玻色子橫向動(dòng)量的微分截面也同意，如圖4所示，它們的組合符合標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測。

由于LHC和ATLAS探測器在第2階段的出色性能，ATKAS對希格斯玻色子的研究正在超越發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入精密測量的新時(shí)代，進(jìn)一步加深了我們對這種粒子的理解。旅程剛剛開始!