从发现到测量：希格斯玻色子，衰变成底夸克！

【手机软件：博科园】三年前，科学家观察到希格斯玻色子（上帝粒子）衰变成一对底夸克(H→BB)，现在将其研究从“发现时代”推进到“测量时代”。通过测量希格斯玻色子的性质，并将其与理论预测进行比较，物理学家可以更好地理解这种独特的粒子，并在这个过程中，寻找与预测的偏差，这些预测将指向超出科学界目前对粒子物理学理解的新物理过程。其中一个偏差可能是在特定条件下产生希格斯玻色子的速率。

希格斯玻色子的横向动量，即希格斯玻色子的动量，垂直于大型强子对撞机(LHC)质子束的方向越大，物理学家相信对来自重但不可见粒子的新物理过程敏感性就越大。希格斯玻色子衰变成一对底夸克(H→BB)是搜索生产率中此类偏差的理想搜索通道。由于希格斯玻色子最有可能衰变（约占所有希格斯玻色子衰变的58%），其较大的丰度允许物理学家进一步探索高横向动量区域。

在那里，由于碰撞质子的复合结构，产生率会降低。在新发布的结果中，欧洲核子研究中心ATLAS合作研究了大型强子对撞机RUN 2的全部数据集，给出了希格斯玻色子衰变成一对底夸克的最新测量结果，其中希格斯玻色子是与矢量玻色子（W或Z）相关联产生的。在几个新结果中，ATLAS报告了与Z玻色子有关希格斯玻色子产生的观测结果，其显著性为5.3标准差(σ)，以及与W玻色子产生的证据，其显著性为4.0σ。

图示：高度增强的H→BB候选事件显示，来自两个底夸克（量热计中的绿色和黄色能量沉积）的粒子已经合并成单个喷流(蓝色锥体)。

新分析比以前版本多使用了大约75%的数据，此外，ATLAS物理学家实施了几项改进，包括：

①更好的增强决策树(BDT)机器学习算法，用于将包含希格斯玻色子的碰撞与仅包含背景过程碰撞分开。

②用于识别在各种后台进程中丰富感兴趣碰撞的更新选择，这些“控制区”使物理学家能够更好地理解和掌握背景过程。

③增加了模拟碰撞数量，虽然对预测测量中的背景至关重要，但模拟整个ATLAS探测器中的碰撞，是一个计算密集型的过程。在这一新的分析中，整个ATLAS团队做出了巨大的努力，与之前的分析相比，模拟碰撞的数量增加了四倍。

图示：观测和预测了用于将希格斯玻色子信号从背景过程中分离出来的14个BDT中一个的分布，希格斯玻色子信号用红色表示，背景用各种颜色表示，数据点显示为带有误差条的点。

这些改进使得ATLAS物理学家，能够更精确地测量不同横向动量下希格斯-玻色子产生率，并将研究范围扩展到更高的值。ATLAS物理学家还宣布了H→BB研究的扩展：当希格斯玻色子产生非常大的横向动量时，这是一个新版本的分析设计，旨在探测希格斯玻色子。正常情况下，来自希格斯玻色子衰变成一对底夸克衰变的两个底夸克，在ATLAS探测器中表现为两个独立高度准直的高能粒子喷发，称为“喷流”。

然而，当希格斯玻色子以非常大的横向动量产生，超过125GeV希格斯玻色子质量的两倍时，希格斯玻色子衰变成一对底夸克系统就被“提升”了。然后，两个底夸克倾向于产生在一起，合并成一个喷流。这项新分析使用了不同的b-jet重建算法，以适应这种增强的状态，能让物理学家识别增强的H→BB衰变，重建希格斯玻色子的质量，并识别背景过程中的过剩。这项新技术使ATLAS能够以更高的效率，探索特别有趣的大型横向动量事件的希格斯玻色子相空间。

图示：碰撞数据(黑点)超出后台进程(从数据中减去)的比较，图显是来自H→BB衰变的重建质量(红色)和用于验证结果的双玻色子Z→BB衰变(灰色)。

进一步让物理学家观察在更大横向动量值下产生的希格斯玻色子，这是寻找新物理学的一个重要进展。这些分析是测量希格斯玻色子性质漫长旅程中至关重要的一步。随着物理学家进一步改进算法，改善对背景过程的理解，并收集更多的数据，将可能进入等待新物理的未知领域。

博科园｜研究/来自：欧洲核子研究中心ATLAS