中國科大首次在ATLAS實驗中確立希格斯玻色子衰變到正反繆子對的實驗證據(jù)
位于歐洲核子中心（CERN）大型強子對撞機（LHC）上的ATLAS實驗近期在國際著名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發(fā)表了尋找希格斯玻色子衰變到正反繆子對（H→μ+μ-）過程的實驗研究（Phys. Rev. Lett. 135 (2025) 231802），并獲得編輯推薦（Editors’ Suggestion）及美國物理學(xué)會Viewpoint專門報道。該項工作是繼CMS實驗之后，首次在ATLAS實驗中獨立確立了H→μ+μ-這一稀有過程存在的實驗證據(jù)（evidence），是探索基本粒子質(zhì)量起源的又一個里程碑式成就。
目前已知的組成物質(zhì)的最小單元是帶電的基本費米子（以下簡稱費米子），它們可分為三代。第一代費米子包括電子以及上、下夸克。他們組成各種原子（元素），構(gòu)成宇宙中絕大部分已知物質(zhì)形態(tài)。第二代與第三代費米子性質(zhì)與第一代相似，但質(zhì)量更重且極不穩(wěn)定，僅能在實驗室或宇宙線等極端環(huán)境中被短暫制造出來。根據(jù)描述基本粒子的標(biāo)準(zhǔn)模型理論，費米子的質(zhì)量是通過與遍布整個宇宙的希格斯場相互作用獲得的。但是這一關(guān)鍵的理論預(yù)言目前僅在最重的第三代費米子上得到了驗證，而較輕的第二代乃止第一代費米子質(zhì)量是否起源于希格斯場仍未得到實驗的直接證實。繆子屬于第二代費米子，如果能找到希格斯玻色子衰變到正反繆子對這一過程，科學(xué)家就可以確認(rèn)繆子的質(zhì)量同樣來自于與希格斯場的相互作用。然而，這一過程極為稀有。根據(jù)理論測算，LHC在13萬億電子伏（TeV）的質(zhì)心系能量下每進行十萬億次質(zhì)子-質(zhì)子對撞，才能產(chǎn)生一個H→μ+μ-事例。
中國科大ATLAS實驗團隊利用正在進行的三期運行（Run 3）中采集的質(zhì)心系能量為13.6TeV的質(zhì)子-質(zhì)子碰撞數(shù)據(jù)，并聯(lián)合二期13 TeV運行（Run 2）數(shù)據(jù)，首次在ATLAS實驗中以3.4倍標(biāo)準(zhǔn)差的水平確認(rèn)了H→μ+μ-存在的實驗證據(jù)。在這項工作中，中國科大團隊參與了繆子的動量精細刻度，搭建了完整的數(shù)據(jù)分析框架，并探索了多種提升H→μ+μ-信號敏感度的可能方向，最終采用機器學(xué)習(xí)方法實現(xiàn)了敏感度最優(yōu)的矢量玻色子聚合與膠子-膠子聚合產(chǎn)生道的信號與本底區(qū)分。此外，團隊成員還推動合作組產(chǎn)生了高達50億的高精度本底模擬樣本，并承擔(dān)了本底與數(shù)據(jù)建模，為從為海量本底事例中精細分離出稀有的H→μ+μ-信號創(chuàng)造了條件。在此基礎(chǔ)之上，團隊還負(fù)責(zé)完成了系統(tǒng)誤差計算及最終結(jié)果的產(chǎn)生。
圖1：ATLAS實驗從數(shù)據(jù)中提取出的H→μ+μ-信號（紅色）
論文主要完成人為我校研究生田純浩、劉子瑞、冶新萌（指導(dǎo)教師趙政國院士）、伊合山·木沙江（指導(dǎo)教師楊洪洮特任教授）、丁玥心（指導(dǎo)教師徐來林特任教授）、馬文昊（指導(dǎo)教師韓良教授）。其中伊合山·木沙江與田純浩還擔(dān)任實驗內(nèi)部文檔編輯（internal note editor），并分別代表分析團隊完成了揭盲（unblinding approval）與審閱（approval）報告。楊洪洮特任教授擔(dān)任本項工作的負(fù)責(zé)人（analysis contact），現(xiàn)擔(dān)任ATLAS實驗希格斯與雙希格斯物理工作組負(fù)責(zé)人（convener）。此外，吳雨生教授團隊在二期數(shù)據(jù)的分析工作中做出了重要貢獻。特別值得指出的是，以趙政國院士為代表的中國科大團隊在ATLAS實驗繆子譜儀的建造、一期（Phase-I）升級與二期（Phase-II）升級中均發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為當(dāng)前及未來ATLAS實驗以H→μ+μ-為代表的繆子相關(guān)物理研究提供了堅實支撐。
中國科大ATLAS實驗組是趙政國院士領(lǐng)導(dǎo)下的一支具有相當(dāng)規(guī)模和凝聚力的穩(wěn)定團隊，目前包括16名教授副教授，2名特任副研究員，6名博士后，近30名博士和碩士研究生。科大組成員負(fù)責(zé)或參與探測器建造、運行維護及性能研究、觸發(fā)優(yōu)化、末態(tài)重建性能的標(biāo)定，以及廣泛的物理研究。在標(biāo)準(zhǔn)模型的精確檢驗和測量、希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)和性質(zhì)研究，以及超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理的直接尋找的物理研究中，取得了多個以科大組為主導(dǎo)并得到ATLAS國際合作組高度評價的重要物理結(jié)果。
論文鏈接：https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/HIGP-2024-11/
APS Viewpoint：https://physics.aps.org/articles/v18/190
（物理學(xué)院、科研部）
本文鏈接：http://knowith.com/news-3-4616.html中國科大首次在ATLAS實驗中確立希格斯玻色子衰變到正反繆子對的實驗證據(jù)
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