ATLAS 探测希格斯粒子与最重夸克的相互作用

ATLAS 希格斯物理计划的核心目标是越来越精确地测量希格斯玻色子与基本费米子和玻色子相互作用的强度。

根据电弱对称性破缺理论，这些相互作用决定了粒子的质量，相互作用的强度可以通过精确测量希格斯玻色子的产生和衰变成相关粒子的过程来确定。

在最近举行的 2024 年国际高能物理会议(ICHEP)上，ATLAS 合作项目展示了希格斯玻色子与三个最重夸克(顶夸克、底夸克和粲夸克)相互作用强度的改进测量结果。

新结果基于对 2015 年至 2018 年间 LHC Run 2 数据的重新分析，其中显著增强了分析方法，包括改进了喷流标记。

但喷流是什么?为什么需要标记它们?当希格斯玻色子衰变成一对夸克时，每个夸克都会碎裂，形成一束平行的粒子(主要是强子)，可以在探测器中观察到。喷流标记的目的是通过详细分析喷流的性质来确定哪种类型(或“味道”)的夸克产生了给定的喷流。

借助针对粲夸克和底夸克的全新定制喷流(或“风味”)标记技术，ATLAS 研究人员成功显著提高了分析灵敏度。结合其他分析改进，他们将 H→bb 和 H→cc 衰变的灵敏度分别提高了 15% 和三倍。

最新测量结果显示，希格斯玻色子与 W 或 Z 玻色子一起衰变成一对底夸克或粲夸克，首次观测到 WH、H→bb 过程，显著性为 5.3σ，ZH、H→bb 测量显著性为 4.9σ。希格斯玻色子衰变成 c 夸克，相对于衰变成 b 夸克，质量因子被抑制了 20 倍，因此仍然太罕见，无法观测到。

ATLAS 将 VH、H→cc 过程的速率上限设定为标准模型预测的 11.3 倍。这些结果是迄今为止对这些过程最精确的探测，并且与标准模型兼容。

对希格斯玻色子与顶夸克相互作用的新测量重点是希格斯玻色子与两个顶夸克的相互作用以及随后衰变成一对底夸克的过程。这一具有挑战性的过程具有非常复杂的最终状态，并且受到巨大背景的影响。

新的分析得益于对涉及顶夸克的主要背景过程的精细理解，将灵敏度提高了两倍，并测量了ttH、H→bb 产生的信号强度为 0.81 ± 0.21，相对于标准模型预测。

进一步改进的分析技术和正在进行的 3 次运行的新数据有望以更高的精度测量这些相互作用。在寻找 H→cc 方面取得的这些进展提高了人们对高亮度 LHC (HL-LHC) 的期待，在该装置中检测这一过程已进入可行性领域。