在2023年大型强子对撞机物理学会议上，超环面仪器实验（ATLAS）和 紧凑缪子线圈实验（CMS）团队汇报了希格斯玻色子衰变为一个Z玻色子和一个光子过程的首个证据。《科技日报》和欧洲核子研究中心官方网站等对此进行了新闻报道。近日，该重要结果由两个实验组携手以“大型强子对撞机上希格斯玻色子衰变为一个Z玻色子和一个光子过程的证据”（Evidence for the Higgs Boson Decay to a Z Boson and a Photon at the LHC）为题于2024年1月发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters），并被选为“物理亮点”（ Featured in Physics）和“编辑推荐”（ Editors' Suggestion）。北京大学物理学院技术物理系周辰、冒亚军课题组对该结果起了关键作用。在CMS合作组内部，北京大学物理学院博士研究生张铭滔被选做预审核报告，周辰被选做审核报告、并担任分析文档负责人。2023年9月，周辰获选担任大型强子对撞机（LHC）希格斯联合分析工作组召集人。
2012年希格斯玻色子的发现是粒子物理的一座重要里程碑。自此以来，欧洲核子研究中心LHC的ATLAS和CMS实验致力于研究希格斯玻色子产生和衰变的各种方式，从而检验产生基本粒子质量的希格斯机制。其中，希格斯玻色子衰变为Z玻色子和光子的过程需要通过量子圈进行。由于量子圈中可能存在尚未被发现的新粒子，该稀有衰变过程有望提供新物理的线索。相关理论研究包括北京大学物理学院曹庆宏等人工作（Phys. Lett. B 789 (2019) 233）等。
图1:标准模型中希格斯玻色子衰变为Z玻色子和光子过程的费曼图
早前，基于LHC二期运行数据，ATLAS和CMS实验用相似的分析策略对该稀有的希格斯玻色子衰变过程进行了寻找。周辰此前曾担任ATLAS实验希格斯-光子工作组召集人，承担了ATLAS对该希格斯玻色子衰变过程的分析的部分组织工作。
近期，周辰、冒亚军课题组与合作者统计合并了ATLAS和CMS实验的寻找结果，大幅提高了精确度。联合分析中，预期信号显著度为1.9倍标准差，而观测信号灵敏度达到了3.4倍标准差。这是该稀有希格斯玻色子衰变的首个实验证据，也是希格斯物理近年最重要的一个结果。
图2: ATLAS+CMS联合分析中的Z玻色子和光子不变质量谱
下一步，ATLAS和CMS实验将使用更大统计量的LHC三期运行数据对这个衰变过程进行测量，进一步检验标准模型。周辰、冒亚军课题组目前致力于从事例选择、本底估计等方面改进CMS实验的分析策略。
上述工作得到北京大学建设世界一流大学（学科）和特色发展引导专项、国家自然科学基金、国家重点研发计划等支持。
论文原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.021803
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