希格斯玻色子对高能Z玻色子对产生的贡献的证据

希格斯玻色子是与希格斯场相关的基本亚原子粒子，于2012年作为ATLAS和CMS实验的一部分首次被发现，这两项实验都分析了CERN的大型强子对撞机(LHC)收集的数据，LHC是现有最强大的粒子加速器.自从发现希格斯玻色子以来，世界各地的研究团队一直在努力更好地了解这种独特粒子的性质和特征。

CMSCollaboration是参与CMS实验的一大批研究人员，最近获得了希格斯玻色子宽度的最新测量值，同时还收集了其对Z玻色子对产生的离壳贡献的第一个证据。他们的发现发表在《自然物理学》上，与标准模型预测一致。

“基本粒子的量子理论描述本质上是概率性的，如果你考虑粒子集合的所有不同状态，无论你现在还是稍后查看这个集合，它们的概率总和必须为1，”UlascanCMSCollaboration的研究员Sarica告诉Phys.org。“当进行数学分析时，这个简单的陈述对高能粒子相互作用的概率施加了限制，即所谓的单一性界限。”

自1970年代以来，物理学家预测，当产生重矢量玻色子对Z或W时，将违反高能量下的典型限制，除非希格斯玻色子对产生这些对有贡献。在过去的十年中，理论物理计算表明，使用大型强子对撞机收集的现有数据应该可以测量这些高能希格斯玻色子贡献的出现。

“其他研究表明，希格斯玻色子的总衰变宽度与其寿命成反比，并且在标准模型中预测非常小(宽度为4.1兆电子伏特，或1.6×10-22秒)lifetime)可以使用这些高能事件来确定，其精度至少比受探测器分辨率限制的其他技术高一百倍(总宽度测量为1000兆电子伏特，寿命测量为1.9×10-13秒)，”萨里卡解释道。

“出于这些原因，我们的论文有两个目标：寻找希格斯玻色子对高能重双玻色子产生的贡献，并通过这些贡献尽可能精确地测量希格斯玻色子的总衰变宽度。”

作为他们最近研究的一部分，CMS合作分析了2015年至2018年期间收集的一些数据，这是大型强子对撞机第二次数据收集运行的一部分。他们特别关注以产生Z玻色子对为特征的事件，这些Z玻色子随后衰变成四个带电轻子(即电子或μ子)或两个带电轻子和两个中微子。

过去的实验分析表明，这两种独特的模式对高能量下重玻色子对的产生最为敏感。因此，通过分析符合这些模式的事件，该团队希望收集到更清晰、更可靠的结果。

“我们观察到希格斯玻色子在高能Z玻色子对产生中的贡献的第一个证据，统计显着性超过3个标准差，”CMS合作的另一名成员LiYuan告诉Phys.org。“结果有力地支持了自发的电弱对称性破缺机制，该机制在高能量下保持了重二玻色子生产的单一性。”

除了收集希格斯玻色子对ZZ产生的贡献的证据外，CMS合作还能够显着改进对希格斯玻色子总衰变宽度或寿命的现有测量。他们收集的测量值在10年前被认为是无法实现的，因为粒子的宽度很窄(根据粒子物理学标准模型的预测，即4.1兆电子伏特)。

“我们的测量结果是3.2兆电子伏特，上误差为2.4兆电子伏特，下误差为1.7兆电子伏特，”袁说。“到目前为止，这一结果与标准模型的预期一致，但未来更精确的测量仍有可能偏离预测。”

CMS协作最近的工作提供了关于希格斯玻色子特性的新见解，同时也强调了它对Z玻色子对产生的贡献。在接下来的研究中，研究人员计划使用大型强子对撞机收集的新数据和先进的分析技术继续探索这种迷人的亚原子粒子。

“虽然我们的结果达到了超过3个标准差阈值的统计显着性，通常被粒子物理学界视为证据，但需要更多数据才能达到5个标准差的阈值才能宣称发现，”萨里卡说。

LHC的第三次数据收集运行于今年开始，预计将持续到2025年底。Sarica、Yuan和CMS合作的其他成员已经开始准备工作，这将使他们能够用更大的宽度测量希格斯玻色子的宽度使用作为第三轮数据收集的一部分收集的新数据的精度。

“此外，我们的CMS分析尚未包括对2018年数据中四个带电轻子的高能事件的分析，并且正在准备将其纳入更新，”Sarica补充道。

“11月9日在Higgs2022会议期间展示的ATLAS合作组织的最新初步结果也为CMS发现的证据提供了独立确认，因此一旦他们的结果通过同行评审，我们希望这两个合作组织能够讨论如何两种分析可以结合起来，以提供对希格斯玻色子在高能及其总宽度贡献的最佳测量。”