欧洲核子研究中心通过希格斯玻色子发现“新物理”的大胆探索

自大型强子对撞机启动以来，研究人员一直在研究希格斯玻色子，并寻找超越当前基本粒子模型的物理学迹象。 使用 ATLAS 探测器的科学家们将这两个目标结合在了一起：他们的最新分析不仅加深了我们对希格斯玻色子如何相互作用的理解，还对潜在的"新物理"现象施加了更强的限制。

ATLAS 探测器内记录的质子碰撞期间的二次粒子轨迹，表明事件中存在单个希格斯玻色子。 资料来源：IFJ PAN / CERN / ATLAS 实验

大型强子对撞机（LHC）取得了重大成功，发现了希格斯玻色子，这是标准模型中最后一块缺失的部分，也是理解基本粒子质量起源的关键。 然而，尽管取得了这一突破，研究人员仍未找到任何超越标准模型的物理学证据，这一直是令人沮丧的根源。 位于日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）（欧洲核研究组织）的科学家们目前正在努力提高希格斯玻色子测量的精度，同时积极寻找"新物理学"的迹象，以解决这一问题。

欧洲核子研究中心的 ATLAS 实验小组最近进行了一项研究，并发表在《高能物理杂志》上，这项研究体现了这种双重方法。 实验小组重点观测了导致产生两个希格斯玻色子的事件，这两个希格斯玻色子随后衰变为多个轻子家族的粒子，主要是电子和μ介子。

探索希格斯玻色子对的产生

希格斯玻色子对的产生在标准模型中理论上是可能的，但这种情况非常罕见，科学家尚未在现有数据中观测到。 然而，标准模型之外的一些理论模型表明，希格斯玻色子对可能会更频繁地产生。 如果科学家们能利用现有数据确定希格斯玻色子对产生的实例，就能证实一种新的、以前未知的物理现象的存在。 因此，ATLAS 实验小组将这一罕见的过程作为分析的重点。

"希格斯玻色子相互作用的实验研究遇到了一个根本问题。 这就是：在大型强子对撞机的质子对撞中，希格斯玻色子出现的频率非常低，以至于迄今为止还没有探测到一次希格斯玻色子成对产生的事件，而如果我们想研究这些粒子之间的相互作用，乍一看这似乎是绝对必要的。 "波兰科学院物理研究所（IPJ PAN）的物理学家巴特洛米耶-扎宾斯基（Bartlomiej Zabinski）博士问道："那么，我们如何研究一种尚未被观测到的现象呢？"

机器学习在粒子物理学中的作用

在标准模型中，可以对各种已知过程的概率做出越来越精确的预测。 理论预测与大型强子对撞机探测器的实际数据之间的差异，将成为暗示希格斯玻色子的意外特性或新物理学存在的理由。 因此，ATLAS 实验的物理学家们仅在标准模型的框架内，模拟了（连同背景）在出现两个希格斯玻色子现象时探测器中应该出现的信号，然后根据来自探测器的预期数据量对结果进行了归一化处理。 最后一步是将由此获得的数值与之前观测得出的数值进行比较。 基于决策树的机器学习的使用有助于寻找这些罕见过程。

"我们对具有多个轻子的终态中的双希格斯玻色子产生事件的分析，是对其他终态研究的补充。 到目前为止，我们还没有从探测器的数据中发现任何与标准模型不一致的地方。 然而，这一结果并没有排除'新物理'现象存在的可能性，而只是告诉我们，它们对希格斯玻色子对的产生可能产生的影响仍然太微弱，以至于无法在目前收集到的数据中看到，"扎宾斯基博士总结道。

大型强子对撞机的未来展望

未来几年，大型强子对撞机将进行重大升级。 届时，光束的强度将增加十倍，从而显著增加质子碰撞的记录数量。 目前对希格斯玻色子的产生和相互作用参数的分析所带来的限制让物理学家们希望，也许在下一个十年初，就能从更多的数据中挑选出第一批产生双希格斯粒子的事件，并在对这一现象的直接观测中验证今天的预测。

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1007/JHEP08(2024)164