首次观测到希格斯玻色子衰变为b夸克

7月9日在韩国首尔举行的2018年国际高能物理学会议(ICHEP)上,阿特拉斯实验报告了初步结果:证明了对希格斯玻色子衰变为对b夸克的观测,而且速度与标准模型预测一致。brout - engler - higgs机制解决了弱矢量玻色子(W和Z)具有质量的明显理论不可能性。2012年希格斯玻色子的发现是标准模型的胜利。希格斯场还可以通过与汤川耦合的相互作用,以一种优雅的方式为带电费米子(夸克和轻子)赋予其质量,其强度与粒子质量成正比。观察τ的希格斯玻色子衰变成双轻子的第一个直接证据提供这种类型的交互。

图0:事件显示H→bb衰减分析ATLAS探测器。图片:ATLAS Collaboration/CERN

在发现希格斯玻色子六年后,欧洲核子研究中心(CERN)的阿特拉斯(ATLAS)实验观测到了标准模型中预测约30%的希格斯玻色子衰变。然而希格斯玻色子的青睐衰变一双b夸克(H→bb),预计占近60%的所有可能衰变仍然难以捉摸。观察这种衰变模式并测量其速率是通过汤川相互作用来确定或不确定费米子质量生成的必要步骤,正如标准模型所预测的那样。在韩国首尔举行的2018年国际高能物理学会议(ICHEP)上,阿特拉斯实验报告了初步结果,证明了对希格斯玻色子衰变为对b夸克的观测,其速度与标准模型预测一致。

有必要在300万分之一的范围内排除衰减检测是由背景波动引起的,而背景波动可以模拟这一过程。当这样的概率只有千分之一时,检测就被称为“证据”。证据提供的H→bb衰变首次在2012年Tevatron和一年前的ATLAS和CMS合作。考虑到大量的H→bb衰变,多少少衰变模式如H→γγ已经观察到的时候发现,为什么要这么长时间才实现这个观察?主要的原因是,在质子-质子相互作用过程中,希格斯玻色子的生产过程导致了单对粒子喷流,起因是b夸克(b-jets)的破碎。这些几乎不可能与强相互作用(量子色动力学或QCD)产生的b-夸克对的压倒性背景区分开来。为了克服这一挑战,有必要考虑产生过程,这些过程不那么丰富,但具有QCD中没有的特性。

图1:在(W)(H bb)搜索通道中mbb的分布。信号用红色表示不同的背景用不同的颜色表示,数据显示为带有错误条的点。图片:ATLAS Collaboration/CERN

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其中最有效的是希格斯玻色子与向量的相关生产玻色子,W和Z轻子衰变,W→ν,Z→和Z→νν(代表一个电子或μ介子)提供“”签名“”,允许有效的触发和强大的量子色背景减少。然而希格斯玻色子信号的数量级仍然小于由顶夸克或矢量玻色子产生的剩余背景,这导致了类似的特征。例如一对顶夸克可以衰变tt→[(W→ν)b][(W→qq)b]与含有一个电子的最终状态或一个μ介子和两个b夸克,完全的(W→ν)(H→bb)信号。区分这些背景信号的主要处理方法是用复杂的“b标记”算法识别的b-jet对的不变质量mbb。这种质量分布的一个例子如图1所示,其中信号和背景分量的总和与数据对应。

当将所有WH和ZH通道组合在一起,并从数据中减去背景(除了WZ和ZZ生产)时,图2所示的分布显示出Z boson产生的一个清晰的峰向b-夸克对衰减,验证了分析过程。上侧的形状和速度与希格斯玻色子产生的期望一致。然而这还不足以达到可以作为观察合格的检测水平。为此b-jet对的质量与其他运动学变量结合在一起,这些变量显示了信号与不同背景之间的显著差异,例如两个b-jet之间的角分离,或相关矢量玻色子的横向动量。使用增强决策树(BDTs)技术进行多变量组合。这里显示的是来自所有通道的BDT输出的组合,按照信号-背景比重新排序。可以看出,信号与标准模型所期望的分布密切相关。

图2:除WZ和ZZ产生以外的所有背景下所有搜索通道的mbb分布,数据(带有错误条的点)与WZ和ZZ(灰色)以及WH和ZH(红色)生产的期望进行了比较。图片:ATLAS Collaboration/CERN

BDT输出经过复杂的统计分析,以提取信号的“显著性”。这是另一个衡量一个假的概率的方法观察标准差,σ,高斯分布,神奇的数字对应的观测信号是5σ。13 TeV的分析收集的数据阿特拉斯在LHC运行2 2015年,2016年和2017年导致4.9σ的意义——几乎足以声称观察。这个结果从类似的分析,结合这些运行1 H的阿特拉斯和来自其他搜索的数据→bb衰变模式,即希格斯玻色子的产生与一双顶夸克或通过一个过程称为向量玻色子融合(VBF),通过这种组合是5.4σ。

此外结合现状分析与其他目标希格斯玻色子衰变双光子和Z玻色子以13 TeV提供相关的观察5.3σVH(V = Z和W)生产,符合标准模型预测。在强子对撞机上,所有四种主要的希格斯玻色子产生模式现在都已被观测到,其中两种是今年才观测到的。(1)胶子与希格斯玻色子的融合;(2)弱玻色子与希格斯玻色子的融合;通过这些观察,希格斯粒子领域的详细测量开创了一个新时代,通过这个时代,标准模型将进一步受到挑战。

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