希格斯玻色子刚刚在大型强子对撞机中揭示新秘密

自2012年发现希格斯玻色子以来，物理学家在探索其性质方面取得了重大进展。这是否意味着该课题已尘埃落定？远非如此！在欧洲物理学会高能物理会议（EPS-HEP 2025）公布的新结果中，ATLAS合作组利用大型强子对撞机（LHC）第三轮运行（Run 3）收集的数据，聚焦研究了两种极其稀有的希格斯玻色子衰变过程。这些研究为深入理解希格斯玻色子行为与标准模型的吻合程度提供了重要见解。

首个研究对象是希格斯玻色子衰变为一对μ子（H→μμ）的过程。尽管该过程极为罕见——每5000次希格斯衰变中仅发生一次——但它为研究希格斯玻色子与第二代费米子的相互作用提供了最佳与第二代费米子的相互作用提供了最佳机会，并有助于揭示不同代粒子质量的起源。第二个研究对象是希格斯玻色子衰变为Z玻色子和光子（H→Zγ色子和光子（H→Zγ）的过程，其中Z玻色子随后衰变为电子对或μ子对。这种稀有衰变尤其引人关注，因为它通过虚粒子的中间"圈图"进行。若有新粒子参与该圈图，此过程可能为标准模型之外的新物理提供线索。

大海捞针

识别这些稀有衰变极具挑战性。对于H→μμ过程，研究人员需在μ子对质量125 GeV（希格斯玻色子质量）附近寻找微小的事件超出。该信号极易被其他过程（"本底"）产生的数千个μ子对所掩盖。

H→Zγ衰变的分离更为困难，因为Z玻色子仅有约6%的概率衰变为可探测轻子，这大大增加了捕捉其信号的难度。LHC第三轮运行（Run 3）的工作条件进一步加剧了挑战，该阶段碰撞事件重叠增多，使得粒子喷流更易伪装成真实光子。

为提升搜索灵敏度，ATLAS物理学家将第三轮运行前三年的数据（165 fb^-1，2022-2024年采集）与第二轮运行完整数据集（140 fb^-1，2015-2018年）相结合。他们开发了复杂方法以优化本底过程建模，根据特定希格斯产生模式对记录事件进行分类，并进一步改进事件选择技术以最大化识别真实信号的可能性。

发现证据与提升灵敏度

在先前使用第二轮运行完整数据集进行的H→μμ搜索中，ATLAS合作组首次在2个标准差水平观测到该过程的迹象。CMS合作组可比结果达到3（预期2.5）个标准差的观测显著性。如今，结合第二轮和第三轮运行数据集，ATLAS合作组发现了H→μμ的证据，其观测到（预期）超出仅本底假设的显著性达3.4（2.5）个标准差。这意味着该结果由统计涨落导致的概率小于三千分之一！

对于H→Zγ过程，ATLAS和CMS合作组先前联合分析使用第二轮运行数据发现了该衰变模式的证据，报告观测到（预期）超出仅本底假设3.4（1.6）个标准差。ATLAS最新结果结合第二轮和第三轮运行数据，报告观测到（预期）超出仅本底假设2.5（1.9）个标准差。该结果为测量H→Zγ衰变概率（"分支比"）提供了迄今最严格的预期灵敏度。

这些成果得益于LHC提供的大规模优质数据集、ATLAS实验装置卓越的运行效率与性能，以及新型分析技术的运用。随着更多数据即将产生，探索之旅仍在继续！