CMS探测器发现13TeV质子-质子碰撞中希格斯对生产的新限界

本文主要探讨了在大型强子对撞机（Large Hadron Collider, LHC）上的CMS探测器实验中，对希格斯玻色子对（Higgs boson pair production）的搜索过程。研究聚焦于2016年在质子-质子碰撞（proton-proton collisions）下，能量为13 TeV的数据集，该数据集的综合光度（integrated luminosity）达到35.9 femtobarns（fb-1）。实验目标是寻找一对希格斯玻色子的一个信号，其中一个是通过衰变为两个光子（γγ），另一个则衰变为一个底夸克-反夸克对（bb）。这一结果与标准模型（Standard Model, SM）的预测相吻合。 在分析中，研究人员着重于寻找可能的共振效应，即新物理粒子如spin-0或spin-2粒子的信号。通过对这些额外粒子的潜在贡献进行上界设定，实验结果排除了在95%置信水平（confidence level, CL）下，新粒子与希格斯玻色子产生过程的交叉截面（cross-section）与相应分支比（branching fraction）乘积大于2.0 femtobarn的假设，这大约是标准模型预测值的24倍。这是一项严格的限制，因为这样的高值远超出了SM的预期。 此外，研究还考虑了非共振生产情况下的限制。如果假定除希格斯玻色子自身相互作用外，其他所有希格斯玻色子的耦合都保持在标准模型值，那么实验结果进一步约束了有效希格斯玻色子自耦合κλ（Higgs self-coupling κλ）的范围，将其限制在-11 < κλ < 17之间。这是迄今为止对希格斯玻色子自耦合最严格的实验约束，这对于理解希格斯机制以及可能的新物理现象具有重要意义。 这项研究不仅验证了标准模型的预言，而且对粒子物理学的某些未知领域设定了限制，为未来的理论发展提供了重要的实验依据。同时，它展示了现代粒子物理实验在探索基本粒子相互作用和新物理路径方面的卓越能力。