终于观察到希格斯玻色子的底夸克（b）衰变方式!

物理学简报：ATLAS（阿特拉斯）小组2018年7月9日报道。（李继堂译 李金政校）

Brout-Englert-Higgs机制简称为希格斯机制，解决了弱矢量玻色子（W和Z）在理论上似乎不可能具有质量的难题。2012年发现希格斯玻色子是通过其衰变成光子实现的，Z玻色子和正负W玻色子也是标准模型建立在此机制上的胜利。希格斯场同样能够以一种优雅的方式为带电费米子（夸克和轻子）获得质量，严格按照和粒子质量成正比的所谓“汤川耦合”相互作用而实现的，2018年《观察到希格斯玻色子衰变成轻子τ》提供了这种类型相互作用的第一个直接证据。

发现希格斯粒子六年之后，ATLAS探测器已经观察到按照标准模型预言的那样进行衰变的希格斯玻色子的30%。然而，我们关心的希格斯玻色子到底夸克对的衰变（H→bb），有望用来解释所有可能衰变中几乎60%的衰变，至今仍然捉摸不透。观察到这个衰变模式并且对其比例的测量，是证实（或者否定…）费米子通过标准模型预言汤川相互作用产生质量必须采取的步骤。

今天（7月9日），在首尔召开的2018高能物理国际会议（ICHEP）上，ATLAS实验报告了，确定观察到希格斯玻色子衰变成底夸克对的初步实验结果，甚至在比例上都和标准模型预言的一致。在粒子物理学界（以及其他领域），一个探测过程能够称得上“观察到”，必须要排除三百万分之一偏差的概率，此概率产生于对其感兴趣过程可以进行模拟的本底波动。这样一个概率一旦到达只是千分之一，探测就能够称得上“证据”（而不是“观察到”），H→bb衰变的证据最初是美国的费米实验室的“万亿伏特粒子加速器(Tevatron)”在2012年提供的，而在一年前（2017年）由ATLAS和CMS小组独自提供。

在b夸克的大海中捞针

非常少有的H→γγ这样的衰变模式在发现希格斯粒子时就已经找到，而存在大量的H→bb衰变，为什么还花费6年这么长的时间才实现这次观察。

主要原因在于：在质子-质子相互作用中希格斯玻色子的大量生产过程，只导致一对来自b夸克碎片的粒子射流（b-jets），它们跟来自强相互作用（量子色动力学或者QCD）生产的b-夸克对形成的绝对优势本底几乎不可能区分开。为了克服这一挑战，必须去考虑QCD中不存在的量虽然少但是特征明显的生产过程，其中最有效的是能够把希格斯的生产跟矢量玻色子W或者Z联系起来的那些。轻子衰变W→lv、Z→ll、Z→vv（其中l 代表电子或者缪子）就能够提供这样的信号，允许有效触发又能大大降低QCD本底。

然而，希格斯玻色子信号遗留的数量级小于从顶夸克或者矢量玻色子生产的遗留本底引起的相似特征，比如，一个顶夸克对能够衰变为tt→[(W→lv)b][(W→qq)b]，末态包含一个电子或者一个缪子和两个b夸克，跟（W→lv）（H→bb）信号完全一样。

从这样的本底区分出信号的障碍在于不变的质量，b粒子射流（b-jets）对的是靠复杂的“b-触发”运算规则进行分辨的。这种质量分布的例子如图1所示，其中信号和相应的本底差距用数据显示出来。

图1：在（W→lv）（H→bb）探索通道里的分布，信号用红色表示，不同的本底用其他不同颜色表示，数据表示为有误差棒的点。（图：ATLAS 小组/CERN）

当所有的WH和ZH衰变道联合起来并且从数据减去本底（除去WZ和ZZ生产），分布情况由图2所示，显示出从Z玻色子衰变成b-夸克对清晰尖峰，表明分析过程有效，上边的肩部在形状和比列上都和希格斯玻色子生产的预言一致。

图2：的分布源自于探索通道的结合，其中减去除了WZ和ZZ生产之外的所有本底，数据（有误差棒的点）相比于WZ和ZZ生产（灰色）和WH和ZH（红色）的期望。（图：ATLAS 小组/CERN）

但是，这还不足以达到能够称为观察到的水平，要达到这个目标，b粒子射流对的质量要和其他运动学变量结合起来，后者显示出信号跟各种本底之间的明显不同，比如两个b-粒子射流之间的角间距，或者相关矢量玻色子的切动量。这种多重变量的结合是使用提高决策树（BDTs）的技术实现的，从所有衰变道的BDT输出的联合，如图3所示，按照信号-至-本底方式重新排序。这可以看作是信号严格遵守标准模型所预期的分布，为了抽象出信号的“意义”，BDT输出服从一种复杂的统计分析，这是通过高斯分布的标准偏差σ来测量假的观察可能性的另外一种方式，最好的数字对应于信号为5σ的观察。

图3：分布显示按照log(S/B)方法重排的所有BDT输出，其中S和B分别由信号和本底产生，信号用红色表示，不同的本底用其他不同颜色表示数据用有误差棒的点表示。下方的小窗口显示了“下拉”结果，即数据减去本底后相对于本底的统计不确定性的比列。（图：ATLAS 小组/CERN）

观察的完成！

在LHC2015、2016和2017年的第二轮运行期间，由ATLAS收集到的13Tev数据分析导致了4.9σ的结果——几乎足以独自宣称观察到。这个结果和相似的第一轮数据分析以及ATLAS对H→bb衰变道模式的其他探索结合起来。也就是说其中希格斯玻色子，是和顶夸克对一起生产或者通过所谓矢量玻色子融合（VBF）过程生产的，这个结合达到的结果是5.4σ。

此外，结合目前的数据跟在13Tev测量的那些以希格斯玻色子衰变成光子对和Z玻色子为目标的数据，就能提供跟VH(V=Z或者V=W)生产相联系的5.3σ的观察，与标准模型预言完全一致。全部四个主要希格斯玻色子生产模式在强子对撞机上目前已经观察到，其中两个就在这一年（2018年）。其发现顺序是：（1）由胶子跟希格斯玻色子的融合，（2）由弱玻色子跟希格斯玻色子的融合，（3）一个希格斯玻色子跟两个顶夸克的相关生产，（4）一个希格斯玻色子和一个弱玻色子的相关生产。

通过这些观察，开启了希格斯领域的精确测量的新时代，由此标准模型将会迎来进一步的挑战。