近日欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）上的ATLAS和CMS实验在《物理评论快报》杂志上发布基于全部Run2数据的首个实验组联合测量：观测到希格斯玻色子衰变到Zγ末态稀有衰变的迹象[1]。
中国科学院高能物理研究所ATLAS和CMS两支团队在这项研究中分别做出了关键性的贡献。黄燕萍研究员从2013年就一直从事希格斯玻色子稀有衰变H→Zγ的寻找，带领团队主导完成了ATLAS实验中最新的稀有衰变H→Zγ寻找[2]，随后促成ATLAS和CMS两个团队合作，完成了H→Zγ稀有衰变ATLAS-CMS的联合寻找，团队成员贺明旭作了审核报告，前团队成员冉坤林（DESY Fellow）和韩硕（LBNL Fellow）分别担任这个分析联系人和编辑。陈明水研究员担任LHC希格斯联合分析组共同召集人，积极推动联合测量研究，组织协调基础科学中心团队在其中做出了重要贡献。此项成果是ATLAS和CMS基于Run2数据的首个希格斯联合分析结果。
图一：希格斯玻色子衰变到Zγ末态的费曼图
2012年ATLAS和CMS实验组利用大型强子对撞机上的质子对撞数据，同时宣布了希格斯粒子的发现，这也是粒子物理的重要里程碑。基于高统计量的实验数据，ATLAS和CMS分别研究希格斯粒子的不同产生和衰变过程，对希格斯粒子的性质进行全面测量，但仍有很多稀有衰变过程尚未得到实验上的确认。希格斯粒子通过圈图相互作用衰变到Zγ末态，如图一所示，许多理论预言这个圈图中可能存在新粒子，比如额外的无色带电标量粒子、轻子或者矢量玻色子。因此H→Zγ过程的寻找对于理解Higgs参与的圈图作用机制，检验标准模型，并探索可能的新物理都具有非常重要的意义。
图二：ATLAS和CMS联合测量H→Zγ稀有衰变过程的Zγ质量谱
在标准模型中，希格斯玻色子衰变到Zγ末态的几率只有0.15%。结合这个过程的信噪比，当前的研究仅考虑了Z玻色子衰变到两电子或者两缪子末态，即大约一万个希格斯粒子中仅有一个H→Zγ的信号事例。ATLAS和CMS合作组都充分利用H→Zγ这个信号的动力学特性，探测器的响应和属性以及多变量分析技术来寻找H→Zγ稀有衰变过程[2][3]。图二展示了ATLAS和CMS基于Run2数据对H→Zγ稀有过程寻找的首个联合测量结果，观测到希格斯玻色子衰变到Zγ末态稀有衰变的迹象，相应的统计显著性为3.4倍标准偏差。
- Evidence for the Higgs boson decay to a Z boson and a photon at the LHC, PRL 132,021803(2024)
- A search for the Zy decay mode of the Higgs boson in pp collisions at √s=13TeV with the ATLAS detector, PLB 809 (2020) 135754
- Search for Higgs boson decays to a Z boson and a photon in proton-proton collision at √s=13TeV, JHEP 05 (2022)233
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