ATLAS实验搜索稀有的希格斯玻色子衰变成光子和Z玻色子

希格斯玻色子是2012年由欧洲核子研究组织(CERN)的大型强子对撞机(LHC)的ATLAS和CMS合作发现的，它会分解成光子，W玻色子和Z玻色子对。从那时起，从事这些实验的物理学家通过研究希格斯玻色子的不同产生和衰变过程，获得了深刻的了解。建立了对tau轻子和底部夸克的衰变，以及与顶部夸克的耦合。但是，问题仍然是希格斯玻色子是否也可能与未知的粒子或力相互作用。

发现八年后，ATLAS观测到标准模型预测的希格斯玻色子衰变几乎占90%。尚未发现的希格斯玻色子的罕见衰变是Z玻色子和光子(Zγ)的衰变。这种衰变对于物理学家特别有意义，因为它会通过涉及大量“虚拟”(可能是新的)粒子的过程进行，这可能会改变其速率。

ATLAS协作组织发布了一个新结果，寻找希格斯玻色子衰变到Zγ。该结果使用完整的LHC Run-2数据集，分析的希格斯玻色子事件几乎是以前ATLAS结果的四倍。

根据标准模型，希格斯玻色子的0.15%衰变为Zγ–速率与希格斯玻色子对两个光子(发现通道之一)的衰变相当。但是，与光子不同，Z玻色子几乎立即衰减，无法直接观察到。取而代之的是，Z玻色子通过衰变而重建为电子或介子对。由于以这种方式衰减的Z玻色子不到7%，因此只能探测到大约10,000个标准希格斯玻色子中约1个的微小预期信号。

为了从丰富的背景过程中分离出希格斯玻色子事件，ATLAS物理学家对重建的Z玻色子和光子的质量分布进行了拟合。这种拟合通过利用信号的不同形状(窄峰)和背景过程(平滑分布)同时确定信号和背景事件的数量。

为了提高搜索的敏感性，物理学家将潜在的希格斯玻色子事件分为多个类别，每个类别具有不同的预期信噪比。其中一种类别，其中希格斯玻色子是通过两个弱玻色子的相互作用与两个前向喷流一起产生的，使用多元判别式(或“增强决策树”)将其与其他希格斯玻色子生产模式区分开。其他类别的特征在于光子或希格斯玻色子候选物的动量，或Z玻色子是否衰变成电子对或介子对。

物理学家同时检查了所有这些类别，研究了选定事件中重建的Z玻色子和光子的质量分布，以寻找希格斯玻色子向Zγ衰变引起的过量。图2显示了所有类别中组合的Z玻色子加光子的质量分布，拟合结果重叠。

在数据中发现信号产量大约是标准模型的两倍，相当于2.2个标准差的显着性(声明观察需要5个显着性)。结果使ATLAS物理学家能够以95%的置信度排除比标准模型预测的生产率高3.6倍的生产率。需要更多数据来研究希格斯玻色子衰变到Zγ的过程。

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