歐洲核子研究中心大型強子對撞機（LHC）的ATLAS和CMS合作，發現了希格斯玻色子衰變為Z玻色子和光子的第一個證據，這一罕見的過程可以提供粒子物理學標準模型所預測之外的粒子的間接證據。

2012年在歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC）上發現希格斯玻色子，標誌著粒子物理學的一個重要里程碑。從那時起，ATLAS和CMS合作機構一直在努力研究這一獨特粒子的特性，並尋找確定其產生和衰變為其他粒子的不同方式。

在上週舉行的大型強子對撞機物理學（LHCP）會議上，ATLAS和CMS報告了他們如何联手找到希格斯玻色子衰變為Z玻色子（弱力的電中性載體）和光子（電磁力的載體）這一罕見過程的第一個證據。這種希格斯玻色子的衰變可以為超出粒子物理學標準模型預測的粒子的存在提供間接證據。

希格斯玻色子衰變為Z玻色子和光子的過程與衰變為兩個光子的過程相似。在這些過程中，希格斯玻色子並不直接衰變成這些粒子對。相反，這些衰變是通過”虛擬”粒子的中間”循環”進行的，這些粒子突然出現又突然消失，無法直接探測到。這些虛擬粒子可能包括新的、尚未發現的、與希格斯玻色子相互作用的粒子。

來自ATLAS（左）和CMS（右）的希格斯玻色子衰變為Z玻色子和光子的候選事件，其中Z玻色子衰變為一對μ子。資料來源：歐洲核子研究中心

標準模型預測，如果希格斯玻色子的質量約為1250億電子伏特，大約0.15%的希格斯玻色子將衰變為Z玻色子和光子。但是一些擴展了標準模型的理論預測了一個不同的衰變率。因此，測量衰變率為標準模型之外的物理學和希格斯玻色子的性質提供了寶貴的見解。

以前，利用來自LHC的質子-質子對撞的數據，ATLAS和CMS獨立地對希格斯玻色子衰變為Z玻色子和光子進行了廣泛的搜索。兩次搜索都使用了類似的策略，通過Z玻色子衰變為成對的電子或μ介子–更重的電子–來確定Z玻色子。這些Z玻色子的衰變發生在大約6.6%的情況下。

在這些搜索中，與這種希格斯玻色子衰變相關的碰撞事件（信號）將被識別為一個狹窄的峰值，在衰變產物的綜合質量分佈中，在一個平滑的事件背景上。為了提高對該衰變的敏感性，ATLAS和CMS利用希格斯玻色子產生的最常見模式，並根據這些生產過程的特點對事件進行分類。他們還使用先進的機器學習技術來進一步區分信號和背景事件。

在一項新的研究中，ATLAS和CMS現在已經聯合起來，最大限度地提高了他們的搜索結果。通過結合兩個實驗在LHC第二次運行期間（發生在2015年至2018年）收集的數據集，這兩個合作機構大大提高了其搜索的統計精度和範圍。

這一合作努力帶來了希格斯玻色子衰變為Z玻色子和光子的第一個證據。該結果的統計學意義為3.4個標準差，低於聲稱觀察到的5個標準差的常規要求。測量的信號率比標準模型的預測值高出1.9個標準差。

“每個粒子都與希格斯玻色子有特殊的關係，這使得搜索罕見的希格斯衰變成為一個高度優先事項，”ATLAS物理學協調員帕梅拉-法拉利說。”通過對ATLAS和CMS的單個結果的精心組合，我們朝著解開希格斯玻色子的又一個謎團邁出了一步。”

“新粒子的存在可能對罕見的希格斯衰變模式產生非常重大的影響，”CMS物理學協調員弗洛倫西亞-卡內利說。”這項研究是對標準模型的一個強有力的測試。隨著正在進行的大型強子對撞機的第三次運行和未來的高亮度大型強子對撞機，我們將能夠提高這一測試的精度，並探測更罕見的希格斯衰變。”