ATLAS探测器发现希格斯玻色子新衰变模式:H→aa→4b在13 TeV pp碰撞中的实验研究

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本研究论文详细探讨了在CERN大型强子对撞机(LHC)的ATLAS探测器上,对希格斯玻色子(Higgs boson)的一种独特衰变模式进行的搜索,即Higgs玻色子通过与W或Z玻色子关联产生,并进一步衰变为两个自旋为零的粒子a,最终形成H→aa→4b衰变通道。a玻色子的质量被设定在20-60 GeV范围内,它可以迅速或具有平均寿命cτa高达6毫米的平均寿命,通过b夸克衰变成四个b夸克。 这项实验基于2015年和2016年LHC运行期间ATLAS探测器收集的质子-质子(pp)碰撞数据,碰撞能量为√s = 13 TeV,对应的数据集集成亮度为36.1 fb^-1。实验的目标是验证标准模型(Standard Model, SM)之外的异常Higgs玻色子衰变可能性,因为通常情况下,Higgs玻色子倾向于衰变为已知的基本粒子,而非这种新的自旋零粒子a。 搜索过程中,研究者着重关注那些符合W或Z玻色子伴随产生的特征,即存在一到两个带电轻子(电子或μ子)以及多个由b夸克衰变产生的喷射。然而,分析结果显示没有发现超过标准模型背景预测的重大事件。在95%的置信水平下,对于迅速衰变的a玻色子,WH(W boson and Higgs boson)和ZH(Z boson and Higgs boson)组合产生的横截面乘以H→aa→4b的分支比上限分别为,当a玻色子质量ma在20 GeV时为3.0 pb,而在60 GeV时降低至1.3 pb。对于寿命较长的a玻色子,最严格的限制在cτa约为0.4毫米时分别为1.8 pb和0.68 pb。 此研究不仅验证了当前粒子物理学理论,还对可能存在的新物理现象提供了有力的约束,特别是那些可能导致希格斯玻色子非标准衰变的潜在模型。通过这种方式,科学家们继续探索宇宙的基本结构和粒子相互作用的边界,深化我们对希格斯机制和粒子间作用的理解。