2020年8月3日，欧洲核子研究中心（CERN）的ATLAS和CMS实验在第四十届国际高能物理大会上宣布了希格斯粒子衰变到双缪子的证据[1]。山东大学前沿交叉科学青岛研究院粒子科学技术研究中心ATLAS团队骨干、齐鲁青年学者李海峰教授对ATLAS实验的物理结果有重要贡献。

        缪子也是宇宙中的一种基本粒子，大约是电子质量的二百倍。电子被列为第一代粒子，而缪子是第二代粒子。希格斯粒子衰变到双缪子是一种稀有现象，每五千个希格斯粒子中会有一个衰变到双缪子。这是实验室首次看到了希格斯粒子和第二代粒子的相互作用，对于理解物质的基本相互作用有重要意义。图表 1和图表 2分别是ATLAS实验希格斯粒子到双缪子的候选事例和实验结果。

        李海峰教授是ATLAS实验希格斯粒子到双缪子的寻找工作的发起人之一。2015年-2018年底，李海峰教授担任ATLAS合作组希格斯粒子到双缪子分析组的负责人，构建了本底事例的估计方法，带领团队优化分析方法，使信号的显著度提高了25%。以ATLAS通讯编辑（contact editor）的身份，发表PRL编辑推荐文章 Phys. Rev. Lett. 119, 051802 (2017)。2018年，李海峰教授代表ATLAS合作组在国际高能物理大会上报告希格斯粒子稀有衰变的物理结果。

图表 1 希格斯粒子到双缪子的候选事例。

图表 2 ATLAS实验的结果。

        CMS实验报告了三倍标准偏差的信号[2]，所观测信号是统计涨落的几率是0.3%。ATLAS实验观测到了两倍标准偏差的信号[3]，对应统计涨落的几率是5%。ATLAS和CMS联合的结果超过了三倍标准偏差， 提供了很强的希格斯粒子衰变到双缪子的证据。

        粒子物理的标准模型认为，真空中充满了希格斯场。希格斯粒子是希格斯场的量子激发。根据希格斯机制，基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。通过测量希格斯粒子衰变到不同粒子的比率，物理学家们可以得到粒子和希格斯场相互作用的强度。衰变比率越高，粒子和希格斯场的相互作用就越强。

        2012年，ATLAS实验和CMS实验发现了希格斯粒子。希格斯粒子的发现标志了标准模型的胜利。促使了François Englert和Peter Higgs获得了2013年的诺贝尔物理学奖。发现希格斯粒子后，对其性质的测量成为重要的物理目标。如果发现测量和标准模型预言有偏差，就可能是新物理的信号。此外，希格斯粒子还与早期宇宙的演化密切相关。到目前为止，ATLAS实验和CMS实验已经观测到了希格斯粒子衰变到W玻色子、Z玻色子和陶轻子。2018年，观测到了希格斯粒子和顶夸克、底夸克的相互作用。缪子的质量较轻，和希格斯场的相互作用更弱，所以之前并没有在实验上观测到。

        “CMS实验非常自豪地达到了希格斯粒子到双缪子的敏感度，并且第一次得到了这个过程的实验证据。希格斯粒子好像和第二代粒子相互作用，和标准模型的预言相符合。在下一阶段的会有更多的实验数据，期望能得到更加精确的结果。”CMS实验的发言人Roberto Carlin说。

        “希格斯粒子衰变到第二代粒子的实验证据是大型强子对撞机（LHC）二期的希格斯物理的重要部分。表明了希格斯物理到达了精确测量的新阶段，同时可以观测稀有衰变过程。取得这样的成绩，依赖于LHC的海量数据、ATLAS探测器的优良表现，和最新的分析技术。”ATLAS实验的发言人Karl Jakobs说。

        在LHC上研究这个过程的难点在于，每产生一个希格斯到双缪子的事例就会有几千个双缪子本底事例。怎样从众多的事例中挑选出信号事例是一项艰巨的任务。实验上，可以在希格斯粒子的质量附近观测双缪子的不变质量谱。如果观测到超出，就可能是希格斯粒子到双缪子的信号。要提高信号的显著度，必须精确测量末态缪子的能量、动量和出射角度。同时，分析也使用了复杂的本底描述方法和先进的数据分析技术，比如机器学习算法。

        利用LHC二期的全部数据，当前结果显示和标准模型的预言相符合。在接下来的LHC三期和高亮度LHC中，ATLAS和CMS实验期望能达到五倍标准偏差的显著度，发现希格斯粒子到双缪子的过程，同时限制超出标准模型的新物理模型。

        这项成果得到了山东大学齐鲁青年学者项目和科技部重点研发项目的资助。山东大学于1996年加入ATLAS合作组。目前，山大ATLAS组由五位教授、一位外籍博士后和十几位研究生促成。从事了前端缪子探测器的研制和生产，以及LHC二期缪子探测器的升级工作。物理分析方面，侧重于希格斯物理、顶夸克物理和超出标准模型的新物理。

[1] CERN的新闻稿链接：https://home.cern/news/press-release/physics/cern-experiments-announce-first-indications-rare-higgs-boson-process
[2] CMS实验的结果（会议文集）：https://cds.cern.ch/record/2725423
[3] ATLAS实验的结果（预印本）：https://arxiv.org/abs/2007.07830