希格斯玻色子：通往新物理的隐秘入口
希格斯玻色子的发现解释了标准模型中基本粒子质量起源的关键问题，也为探索新物理打开了窗口。标准模型仍无法解释暗物质等谜题，因此科学家希望通过研究希格斯玻色子的罕见衰变，寻找尚未发现的新轻粒子。大型强子对撞机通过高速质子碰撞产生大量希格斯玻色子；CMS 探测器则像一台精密的“高速照相机”，记录碰撞后粒子的信息。北京大学物理学院技术物理系、核物理与核技术全国重点实验室周辰研究员和李强教授课题组牵头完成的这项 CMS 合作组研究，正是利用这些碰撞数据，搜寻希格斯玻色子衰变为两个轻赝标量玻色子、并最终形成四电子末态的特殊过程。该研究将搜索推进到此前较少触及的极轻质量区域，为类轴子粒子等新物理候选粒子提供了新的实验约束。
【图 1｜希格斯玻色子衰变为轻赝标量粒子并最终形成四电子末态的费曼图】
CMS 这台巨型“照相机”，如何从“四电子”中寻找超轻粒子？
这项研究的主要难点在于，新粒子的质量只有 10—100 MeV，却来自质量约 125 GeV 的希格斯玻色子衰变，因此在实验室中通常具有很高动量。它们衰变出的电子和正电子方向几乎重合，在 CMS 探测器中看起来不像两个分开的电子，而更像一个“合并”的电子对。为识别这类特殊信号，研究团队发展了合并电子对重建方法，并结合多变量机器学习技术，从海量碰撞事件中挑选同时含有两个合并电子对的候选事件。
【图 2｜CMS 记录的一例候选事件，绿色标记为两个合并电子对，黄色线条为其他带电粒子轨迹】
研究团队随后计算每个候选事件的“四电子不变质量”，并分析其分布。对于真正的信号事件，四个电子应共同来自一个希格斯玻色子，因此其不变质量会集中在约 125 GeV 附近。研究人员通过拟合这一质量分布，检验是否存在这样的峰，并给出该衰变发生概率的上限。
【图 3｜四电子不变质量分布，黑点为 CMS 数据，红线为背景拟合，蓝色峰形表示希格斯玻色子衰变信号可能出现的位置】
为超轻新粒子划出新的实验边界
研究团队在四电子不变质量分布中没有发现显著偏离标准模型背景预期的信号，因此进一步限制了希格斯玻色子发生这一稀有衰变的可能性。结果显示，在最敏感区域，该过程最多约每十万个希格斯衰变才发生一次。研究团队还在 ALP 有效理论框架下，将这一结果转换为对类轴子粒子质量及其电子耦合强度的限制。该研究首次在 LHC 希格斯稀有衰变中探索了 10–100 MeV 的超轻赝标量粒子区域，为类轴子粒子等新物理模型提供了新的实验约束。
【图 4｜CMS 在 ALP 质量与电子耦合强度参数空间中给出的限制，颜色表示 H→AA→4e 过程的分支比上限】
该研究成果以 《在 13 TeV 质子-质子碰撞中通过四电子末态寻找希格斯玻色子衰变产生的轻赝标量粒子对》(Search for light pseudoscalar bosons, pair-produced in Higgs boson decays in the four-electron final state in proton-proton collisions at √s = 13 TeV) 为题，于2026年5月8日发表于国际顶级物理学期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。周辰课题组博士生王一品担任分析预审核报告和审核报告的报告人，李强课题组博士生钱思天（已毕业）担任分析联络人。其他贡献者包括德克萨斯理工大学冯永彬教授、布朗大学罗靖育博士、德国电子同步加速器研究中心安莹博士、欧洲核子研究中心Sanghyun Ko博士等。该实验研究得到北京大学物理学院理论物理研究所刘佳研究员的大力协助。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/r53x-8fqp
CMS 物理简报专题报道：https://cms.cern/news/chasing-light-weight-particles-higgs-boson-decays-using-pairs-electrons
