中国科大首次在ATLAS实验中确立希格斯玻色子衰变到正反缪子对的实验证据
位于欧洲核子中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）上的ATLAS实验近期在国际著名学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了寻找希格斯玻色子衰变到正反缪子对（H→μ+μ-）过程的实验研究（Phys. Rev. Lett. 135 (2025) 231802），并获得编辑推荐（Editors’ Suggestion）及美国物理学会Viewpoint专门报道。该项工作是继CMS实验之后，首次在ATLAS实验中独立确立了H→μ+μ-这一稀有过程存在的实验证据（evidence），是探索基本粒子质量起源的又一个里程碑式成就。
目前已知的组成物质的最小单元是带电的基本费米子（以下简称费米子），它们可分为三代。第一代费米子包括电子以及上、下夸克。他们组成各种原子（元素），构成宇宙中绝大部分已知物质形态。第二代与第三代费米子性质与第一代相似，但质量更重且极不稳定，仅能在实验室或宇宙线等极端环境中被短暂制造出来。根据描述基本粒子的标准模型理论，费米子的质量是通过与遍布整个宇宙的希格斯场相互作用获得的。但是这一关键的理论预言目前仅在最重的第三代费米子上得到了验证，而较轻的第二代乃止第一代费米子质量是否起源于希格斯场仍未得到实验的直接证实。缪子属于第二代费米子，如果能找到希格斯玻色子衰变到正反缪子对这一过程，科学家就可以确认缪子的质量同样来自于与希格斯场的相互作用。然而，这一过程极为稀有。根据理论测算，LHC在13万亿电子伏（TeV）的质心系能量下每进行十万亿次质子-质子对撞，才能产生一个H→μ+μ-事例。
中国科大ATLAS实验团队利用正在进行的三期运行（Run 3）中采集的质心系能量为13.6TeV的质子-质子碰撞数据，并联合二期13 TeV运行（Run 2）数据，首次在ATLAS实验中以3.4倍标准差的水平确认了H→μ+μ-存在的实验证据。在这项工作中，中国科大团队参与了缪子的动量精细刻度，搭建了完整的数据分析框架，并探索了多种提升H→μ+μ-信号敏感度的可能方向，最终采用机器学习方法实现了敏感度最优的矢量玻色子聚合与胶子-胶子聚合产生道的信号与本底区分。此外，团队成员还推动合作组产生了高达50亿的高精度本底模拟样本，并承担了本底与数据建模，为从为海量本底事例中精细分离出稀有的H→μ+μ-信号创造了条件。在此基础之上，团队还负责完成了系统误差计算及最终结果的产生。
图1：ATLAS实验从数据中提取出的H→μ+μ-信号（红色）
论文主要完成人为我校研究生田纯浩、刘子瑞、冶新萌（指导教师赵政国院士）、伊合山·木沙江（指导教师杨洪洮特任教授）、丁玥心（指导教师徐来林特任教授）、马文昊（指导教师韩良教授）。其中伊合山·木沙江与田纯浩还担任实验内部文档编辑（internal note editor），并分别代表分析团队完成了揭盲（unblinding approval）与审阅（approval）报告。杨洪洮特任教授担任本项工作的负责人（analysis contact），现担任ATLAS实验希格斯与双希格斯物理工作组负责人（convener）。此外，吴雨生教授团队在二期数据的分析工作中做出了重要贡献。特别值得指出的是，以赵政国院士为代表的中国科大团队在ATLAS实验缪子谱仪的建造、一期（Phase-I）升级与二期（Phase-II）升级中均发挥了关键作用，为当前及未来ATLAS实验以H→μ+μ-为代表的缪子相关物理研究提供了坚实支撑。
中国科大ATLAS实验组是赵政国院士领导下的一支具有相当规模和凝聚力的稳定团队，目前包括16名教授副教授，2名特任副研究员，6名博士后，近30名博士和硕士研究生。科大组成员负责或参与探测器建造、运行维护及性能研究、触发优化、末态重建性能的标定，以及广泛的物理研究。在标准模型的精确检验和测量、希格斯粒子的发现和性质研究，以及超出标准模型的新物理的直接寻找的物理研究中，取得了多个以科大组为主导并得到ATLAS国际合作组高度评价的重要物理结果。
论文链接：https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/HIGP-2024-11/
APS Viewpoint：https://physics.aps.org/articles/v18/190
（物理学院、科研部）
本文链接：http://knowith.com/news-3-4616.html中国科大首次在ATLAS实验中确立希格斯玻色子衰变到正反缪子对的实验证据
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