從發(fā)現(xiàn)到測量：希格斯玻色子，衰變成底夸克！

【手機軟件：博科園】三年前，科學(xué)家觀察到希格斯玻色子（上帝粒子）衰變成一對底夸克(H→BB)，現(xiàn)在將其研究從“發(fā)現(xiàn)時代”推進(jìn)到“測量時代”。通過測量希格斯玻色子的性質(zhì)，并將其與理論預(yù)測進(jìn)行比較，物理學(xué)家可以更好地理解這種獨特的粒子，并在這個過程中，尋找與預(yù)測的偏差，這些預(yù)測將指向超出科學(xué)界目前對粒子物理學(xué)理解的新物理過程。其中一個偏差可能是在特定條件下產(chǎn)生希格斯玻色子的速率。

希格斯玻色子的橫向動量，即希格斯玻色子的動量，垂直于大型強子對撞機(LHC)質(zhì)子束的方向越大，物理學(xué)家相信對來自重但不可見粒子的新物理過程敏感性就越大。希格斯玻色子衰變成一對底夸克(H→BB)是搜索生產(chǎn)率中此類偏差的理想搜索通道。由于希格斯玻色子最有可能衰變（約占所有希格斯玻色子衰變的58%），其較大的豐度允許物理學(xué)家進(jìn)一步探索高橫向動量區(qū)域。

在那里，由于碰撞質(zhì)子的復(fù)合結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生率會降低。在新發(fā)布的結(jié)果中，歐洲核子研究中心ATLAS合作研究了大型強子對撞機RUN 2的全部數(shù)據(jù)集，給出了希格斯玻色子衰變成一對底夸克的最新測量結(jié)果，其中希格斯玻色子是與矢量玻色子（W或Z）相關(guān)聯(lián)產(chǎn)生的。在幾個新結(jié)果中，ATLAS報告了與Z玻色子有關(guān)希格斯玻色子產(chǎn)生的觀測結(jié)果，其顯著性為5.3標(biāo)準(zhǔn)差(σ)，以及與W玻色子產(chǎn)生的證據(jù)，其顯著性為4.0σ。

圖示：高度增強的H→BB候選事件顯示，來自兩個底夸克（量熱計中的綠色和黃色能量沉積）的粒子已經(jīng)合并成單個噴流(藍(lán)色錐體)。

新分析比以前版本多使用了大約75%的數(shù)據(jù)，此外，ATLAS物理學(xué)家實施了幾項改進(jìn)，包括：

①更好的增強決策樹(BDT)機器學(xué)習(xí)算法，用于將包含希格斯玻色子的碰撞與僅包含背景過程碰撞分開。

②用于識別在各種后臺進(jìn)程中豐富感興趣碰撞的更新選擇，這些“控制區(qū)”使物理學(xué)家能夠更好地理解和掌握背景過程。

③增加了模擬碰撞數(shù)量，雖然對預(yù)測測量中的背景至關(guān)重要，但模擬整個ATLAS探測器中的碰撞，是一個計算密集型的過程。在這一新的分析中，整個ATLAS團隊做出了巨大的努力，與之前的分析相比，模擬碰撞的數(shù)量增加了四倍。

圖示：觀測和預(yù)測了用于將希格斯玻色子信號從背景過程中分離出來的14個BDT中一個的分布，希格斯玻色子信號用紅色表示，背景用各種顏色表示，數(shù)據(jù)點顯示為帶有誤差條的點。

這些改進(jìn)使得ATLAS物理學(xué)家，能夠更精確地測量不同橫向動量下希格斯-玻色子產(chǎn)生率，并將研究范圍擴展到更高的值。ATLAS物理學(xué)家還宣布了H→BB研究的擴展：當(dāng)希格斯玻色子產(chǎn)生非常大的橫向動量時，這是一個新版本的分析設(shè)計，旨在探測希格斯玻色子。正常情況下，來自希格斯玻色子衰變成一對底夸克衰變的兩個底夸克，在ATLAS探測器中表現(xiàn)為兩個獨立高度準(zhǔn)直的高能粒子噴發(fā)，稱為“噴流”。

然而，當(dāng)希格斯玻色子以非常大的橫向動量產(chǎn)生，超過125GeV希格斯玻色子質(zhì)量的兩倍時，希格斯玻色子衰變成一對底夸克系統(tǒng)就被“提升”了。然后，兩個底夸克傾向于產(chǎn)生在一起，合并成一個噴流。這項新分析使用了不同的b-jet重建算法，以適應(yīng)這種增強的狀態(tài)，能讓物理學(xué)家識別增強的H→BB衰變，重建希格斯玻色子的質(zhì)量，并識別背景過程中的過剩。這項新技術(shù)使ATLAS能夠以更高的效率，探索特別有趣的大型橫向動量事件的希格斯玻色子相空間。

圖示：碰撞數(shù)據(jù)(黑點)超出后臺進(jìn)程(從數(shù)據(jù)中減去)的比較，圖顯是來自H→BB衰變的重建質(zhì)量(紅色)和用于驗證結(jié)果的雙玻色子Z→BB衰變(灰色)。

進(jìn)一步讓物理學(xué)家觀察在更大橫向動量值下產(chǎn)生的希格斯玻色子，這是尋找新物理學(xué)的一個重要進(jìn)展。這些分析是測量希格斯玻色子性質(zhì)漫長旅程中至關(guān)重要的一步。隨著物理學(xué)家進(jìn)一步改進(jìn)算法，改善對背景過程的理解，并收集更多的數(shù)據(jù)，將可能進(jìn)入等待新物理的未知領(lǐng)域。

博科園｜研究/來自：歐洲核子研究中心ATLAS