近日，歐洲核子研究中心CMS實(shí)驗(yàn)合作組在物理學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)國(guó)際期刊《物理報(bào)告》發(fā)表了一項(xiàng)重要研究成果，系統(tǒng)總結(jié)了利用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)第二階段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)重共振態(tài)衰變產(chǎn)生希格斯玻色子的全面搜索，并對(duì)未來高亮度運(yùn)行階段的探索前景進(jìn)行了預(yù)測(cè)。
在這項(xiàng)成果中，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所實(shí)驗(yàn)物理中心王錦課題組作出了重要貢獻(xiàn)，包括關(guān)鍵分析通道的研究工作，構(gòu)建聯(lián)合統(tǒng)計(jì)分析框架和模型空間詮釋，并由高能所博士后王儲(chǔ)完成CMS國(guó)際合作組的審核報(bào)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(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言高度一致。然而，科學(xué)界普遍認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)研究正是面向這一科學(xué)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(hào)，拓展人類對(duì)粒子物理基本規(guī)律的認(rèn)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(gè)希格斯玻色子、一個(gè)希格斯加一個(gè)矢量玻色子（例如W或Z玻色子），以及一個(gè)希格斯加另一個(gè)未知共振態(tài)粒子。若這些過程存在，將可能指向如擴(kuò)展希格斯場(chǎng)、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(cè)到的數(shù)據(jù)整體與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)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(xiàng)工作已在多個(gè)理論模型參數(shù)空間內(nèi)給出了迄今最強(qiáng)的排除限制，涵蓋了包括雙希格斯雙重模型、最小超對(duì)稱模型、額外標(biāo)量模型和重矢量玻色子模型等多個(gè)方向，為未來潛在新粒子的發(fā)現(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
本研究的多個(gè)分析通道中引入了先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，顯著提升了對(duì)稀有信號(hào)的識(shí)別效率和分析靈敏度。
面向未來高亮度強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)階段，研究對(duì)多種關(guān)鍵物理過程的探測(cè)能力進(jìn)行了前瞻性預(yù)測(cè)。如圖2所示，隨著數(shù)據(jù)量提升約二十倍，多個(gè)分析通道在廣泛質(zhì)量區(qū)間內(nèi)的靈敏度將顯著增強(qiáng)，有望覆蓋當(dāng)前難以探測(cè)的物理參數(shù)空間，進(jìn)一步拓展新物理發(fā)現(xiàn)的邊界。
該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金卓越研究群體項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目支持。《物理報(bào)告》是物理學(xué)領(lǐng)域的頂級(jí)國(guó)際綜述期刊，創(chuàng)刊于1971年，最新影響因子達(dá)23.9，代表著國(guó)際一流的研究水平和長(zhǎng)期學(xué)術(shù)影響力。
圖1：CMS合作組基于Run 2數(shù)據(jù)對(duì)X → HH過程的聯(lián)合統(tǒng)計(jì)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(diǎn)的截面×分支比上限，實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)模型背景預(yù)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(duì)X → HH過程的預(yù)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(duì)新物理過程的極強(qiáng)探索潛力。
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