從發(fā)現(xiàn)到測(cè)量：希格斯玻色子，衰變成底夸克！

【手機(jī)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(duì)底夸克(H→BB)，現(xiàn)在將其研究從“發(fā)現(xiàn)時(shí)代”推進(jìn)到“測(cè)量時(shí)代”。通過(guò)測(cè)量希格斯玻色子的性質(zhì)，并將其與理論預(yù)測(cè)進(jìn)行比較，物理學(xué)家可以更好地理解這種獨(dú)特的粒子，并在這個(gè)過(guò)程中，尋找與預(yù)測(cè)的偏差，這些預(yù)測(cè)將指向超出科學(xué)界目前對(duì)粒子物理學(xué)理解的新物理過(guò)程。其中一個(gè)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(dòng)量，即希格斯玻色子的動(dòng)量，垂直于大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)質(zhì)子束的方向越大，物理學(xué)家相信對(duì)來(lái)自重但不可見(jiàn)粒子的新物理過(guò)程敏感性就越大。希格斯玻色子衰變成一對(duì)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(dòng)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(huì)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)RUN 2的全部數(shù)據(jù)集，給出了希格斯玻色子衰變成一對(duì)底夸克的最新測(cè)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(gè)新結(jié)果中，ATLAS報(bào)告了與Z玻色子有關(guān)希格斯玻色子產(chǎn)生的觀測(cè)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(qiáng)的H→BB候選事件顯示，來(lái)自兩個(gè)底夸克（量熱計(jì)中的綠色和黃色能量沉積）的粒子已經(jīng)合并成單個(gè)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(shí)施了幾項(xiàng)改進(jìn)，包括：

①更好的增強(qiáng)決策樹(shù)(BDT)機(jī)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(guò)程碰撞分開(kāi)。

②用于識(shí)別在各種后臺(tái)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(guò)程。

③增加了模擬碰撞數(shù)量，雖然對(duì)預(yù)測(cè)測(cè)量中的背景至關(guān)重要，但模擬整個(gè)ATLAS探測(cè)器中的碰撞，是一個(gè)計(jì)算密集型的過(guò)程。在這一新的分析中，整個(gè)ATLAS團(tuán)隊(duì)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(cè)和預(yù)測(cè)了用于將希格斯玻色子信號(hào)從背景過(guò)程中分離出來(lái)的14個(gè)BDT中一個(gè)的分布，希格斯玻色子信號(hào)用紅色表示，背景用各種顏色表示，數(shù)據(jù)點(diǎn)顯示為帶有誤差條的點(diǎn)。

這些改進(jìn)使得ATLAS物理學(xué)家，能夠更精確地測(cè)量不同橫向動(dòng)量下希格斯-玻色子產(chǎn)生率，并將研究范圍擴(kuò)展到更高的值。ATLAS物理學(xué)家還宣布了H→BB研究的擴(kuò)展：當(dāng)希格斯玻色子產(chǎn)生非常大的橫向動(dòng)量時(shí)，這是一個(gè)新版本的分析設(shè)計(jì)，旨在探測(cè)希格斯玻色子。正常情況下，來(lái)自希格斯玻色子衰變成一對(duì)底夸克衰變的兩個(gè)底夸克，在ATLAS探測(cè)器中表現(xiàn)為兩個(gè)獨(dú)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(dòng)量產(chǎn)生，超過(guò)125GeV希格斯玻色子質(zhì)量的兩倍時(shí)，希格斯玻色子衰變成一對(duì)底夸克系統(tǒng)就被“提升”了。然后，兩個(gè)底夸克傾向于產(chǎn)生在一起，合并成一個(gè)噴流。這項(xiàng)新分析使用了不同的b-jet重建算法，以適應(yīng)這種增強(qiáng)的狀態(tài)，能讓物理學(xué)家識(shí)別增強(qiáng)的H→BB衰變，重建希格斯玻色子的質(zhì)量，并識(shí)別背景過(guò)程中的過(guò)剩。這項(xiàng)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(dòng)量事件的希格斯玻色子相空間。

圖示：碰撞數(shù)據(jù)(黑點(diǎn))超出后臺(tái)進(jìn)程(從數(shù)據(jù)中減去)的比較，圖顯是來(lái)自H→BB衰變的重建質(zhì)量(紅色)和用于驗(yàn)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(dòng)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(gè)重要進(jìn)展。這些分析是測(cè)量希格斯玻色子性質(zhì)漫長(zhǎng)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(duì)背景過(guò)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(lái)自：歐洲核子研究中心ATLAS