科學家真了不起，從發現到測量：希格斯玻色子，衰變成底夸克！

兩年前，科學家觀察到希格斯玻色子（上帝粒子）衰變成一對底夸克(H→BB)，現在將其研究從「發現時代」推進到「測量時代」。通過測量希格斯玻色子的性質，並將其與理論預測進行比較，物理學家可以更好地理解這種獨特的粒子，並在這個過程中，尋找與預測的偏差，這些預測將指向超出科學界目前對粒子物理學理解的新物理過程。其中一個偏差可能是在特定條件下產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，垂直於大型強子對撞機(LHC)質子束的方向越大，物理學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)是搜索生產率中此類偏差的理想搜索通道。由於希格斯玻色子最有可能衰變（約佔所有希格斯玻色子衰變的58%），其較大的豐度允許物理學家進一步探索高橫向動量區域。

在那裡，由於碰撞質子的複合結構，產生率會降低。在新發布的結果中，歐洲核子研究中心ATLAS合作研究了大型強子對撞機RUN 2的全部數據集，給出了希格斯玻色子衰變成一對底夸克的最新測量結果，其中希格斯玻色子是與矢量玻色子（W或Z）相關聯產生的。在幾個新結果中，ATLAS報告了與Z玻色子有關希格斯玻色子產生的觀測結果，其顯著性為5.3標準差(σ)，以及與W玻色子產生的證據，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）的粒子已經合併成單個噴流(藍色錐體)。

新分析比以前版本多使用了大約75%的數據，此外，ATLAS物理學家實施了幾項改進，包括：

①更好的增強決策樹(BDT)機器學習算法，用於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用於識別在各種後臺進程中豐富感興趣碰撞的更新選擇，這些「控制區」使物理學家能夠更好地理解和掌握背景過程。

③增加了模擬碰撞數量，雖然對預測測量中的背景至關重要，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，模擬碰撞的數量增加了四倍。

圖示：觀測和預測了用於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，數據點顯示為帶有誤差條的點。

這些改進使得ATLAS物理學家，能夠更精確地測量不同橫向動量下希格斯-玻色子產生率，並將研究範圍擴展到更高的值。ATLAS物理學家還宣布了H→BB研究的擴展：當希格斯玻色子產生非常大的橫向動量時，這是一個新版本的分析設計，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探測器中表現為兩個獨立高度準直的高能粒子噴發，稱為「噴流」。

然而，當希格斯玻色子以非常大的橫向動量產生，超過125GeV希格斯玻色子質量的兩倍時，希格斯玻色子衰變成一對底夸克系統就被「提升」了。然後，兩個底夸克傾向於產生在一起，合併成一個噴流。這項新分析使用了不同的b-jet重建算法，以適應這種增強的狀態，能讓物理學家識別增強的H→BB衰變，重建希格斯玻色子的質量，並識別背景過程中的過剩。這項新技術使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：碰撞數據(黑點)超出後臺進程(從數據中減去)的比較，圖顯是來自H→BB衰變的重建質量(紅色)和用於驗證結果的雙玻色子Z→BB衰變(灰色)。

進一步讓物理學家觀察在更大橫向動量值下產生的希格斯玻色子，這是尋找新物理學的一個重要進展。這些分析是測量希格斯玻色子性質漫長旅程中至關重要的一步。隨著物理學家進一步改進算法，改善對背景過程的理解，並收集更多的數據，將可能進入等待新物理的未知領域。

博科園｜研究/來自：歐洲核子研究中心ATLAS

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