近日，歐洲核子研究中心CMS實驗合作組在物理學領(lǐng)域頂級國際期刊《物理報告》發(fā)表了一項重要研究成果，系統(tǒng)總結(jié)了利用大型強子對撞機第二階段實驗數(shù)據(jù)對重共振態(tài)衰變產(chǎn)生希格斯玻色子的全面搜索，并對未來高亮度運行階段的探索前景進行了預測。
在這項成果中，中國科學院高能物理研究所實驗物理中心王錦課題組作出了重要貢獻，包括關(guān)鍵分析通道的研究工作，構(gòu)建聯(lián)合統(tǒng)計分析框架和模型空間詮釋，并由高能所博士后王儲完成CMS國際合作組的審核報告。
希格斯玻色子自2012年在歐洲核子研究中心被發(fā)現(xiàn)以來，其性質(zhì)與標準模型的預言高度一致。然而，科學界普遍認為標準模型并非終極理論，在更高能量尺度上仍可能存在未知的粒子或相互作用。本項研究正是面向這一科學前沿，通過尋找可能存在的重粒子衰變產(chǎn)生希格斯玻色子的信號，拓展人類對粒子物理基本規(guī)律的認知邊界。
研究聚焦于三類具有代表性的新物理過程，分別是重粒子衰變產(chǎn)生兩個希格斯玻色子、一個希格斯加一個矢量玻色子（例如W或Z玻色子），以及一個希格斯加另一個未知共振態(tài)粒子。若這些過程存在，將可能指向如擴展希格斯場、額外維度引力理論或重矢量玻色子等新物理模型。
研究結(jié)果表明，目前所觀測到的數(shù)據(jù)整體與標準模型的預期相符，尚未發(fā)現(xiàn)明顯的新物理跡象，如圖1所示。然而，本項工作已在多個理論模型參數(shù)空間內(nèi)給出了迄今最強的排除限制，涵蓋了包括雙希格斯雙重模型、最小超對稱模型、額外標量模型和重矢量玻色子模型等多個方向，為未來潛在新粒子的發(fā)現(xiàn)打下了堅實基礎(chǔ)。
本研究的多個分析通道中引入了先進的機器學習技術(shù)，顯著提升了對稀有信號的識別效率和分析靈敏度。
面向未來高亮度強子對撞機階段，研究對多種關(guān)鍵物理過程的探測能力進行了前瞻性預測。如圖2所示，隨著數(shù)據(jù)量提升約二十倍，多個分析通道在廣泛質(zhì)量區(qū)間內(nèi)的靈敏度將顯著增強，有望覆蓋當前難以探測的物理參數(shù)空間，進一步拓展新物理發(fā)現(xiàn)的邊界。
該項研究工作得到了國家自然科學基金卓越研究群體項目、國家重點研發(fā)計劃等項目支持?！段锢韴蟾妗肥俏锢韺W領(lǐng)域的頂級國際綜述期刊，創(chuàng)刊于1971年，最新影響因子達23.9，代表著國際一流的研究水平和長期學術(shù)影響力。
圖1：CMS合作組基于Run 2數(shù)據(jù)對X → HH過程的聯(lián)合統(tǒng)計分析結(jié)果。圖中展示了自旋為0的重共振態(tài)X在不同質(zhì)量點的截面×分支比上限，實測值與標準模型背景預期高度一一致，未觀察到明顯偏離現(xiàn)象。
圖2：高亮度LHC（HL-LHC，3000 fb?1）階段下，對X → HH過程的預期靈敏度。圖中展示不同子分析和聯(lián)合限制能力，覆蓋廣泛質(zhì)量區(qū)間，體現(xiàn)出未來對新物理過程的極強探索潛力。
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