近日，我校物理學(xué)院袁麗副教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)、美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的相關(guān)團(tuán)隊(duì)，通過分析CMS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得目前世界上最精確的希格斯粒子寬度測(cè)量結(jié)果，相關(guān)成果以“Measurement of the Higgs boson width and evidence of its off-shell contributions to ZZ production”為題發(fā)表在《Nature Physics》期刊上。

粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型是目前人類對(duì)微觀物質(zhì)世界最精確的描述。1964年布繞特、恩格勒、希格斯等預(yù)言一個(gè)新的粒子可以解釋質(zhì)量的起源，這種粒子被稱為希格斯粒子，又稱為上帝粒子。經(jīng)過幾代粒子物理學(xué)家的努力，該粒子最終于2012年由歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的ATLAS實(shí)驗(yàn)和CMS實(shí)驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)，2013年恩格勒教授和希格斯教授共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

自希格斯粒子發(fā)現(xiàn)以后，對(duì)其基本性質(zhì)的研究成為粒子物理領(lǐng)域內(nèi)的重要科學(xué)前沿，其中希格斯粒子寬度是重要的基本性質(zhì)之一，關(guān)系到真空穩(wěn)定性、暗物質(zhì)質(zhì)量起源等當(dāng)前最基本科學(xué)問題，然而實(shí)驗(yàn)上測(cè)量希格斯寬度面臨非常大的挑戰(zhàn)。標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言希格斯粒子寬度僅為4.1MeV,相當(dāng)于其質(zhì)量（約125GeV）的1/30000，傳統(tǒng)的質(zhì)量分辨測(cè)量法和飛行距離測(cè)量法都遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足希格斯粒子寬度測(cè)量的精度要求。理論計(jì)算表明，希格斯在殼（on-shell，即共振峰區(qū)域）事例和離殼（off-shell，即共振峰以外區(qū)域）事例的信號(hào)強(qiáng)度的比值，反比于希格斯粒子的寬度，因此，實(shí)驗(yàn)上可分別測(cè)量這兩部分事例的信號(hào)強(qiáng)度來間接測(cè)量希格斯粒子寬度。這一方法的難點(diǎn)在于希格斯離殼事例非常稀少，在CMS實(shí)驗(yàn)記錄的超過一億億次對(duì)撞事例中，預(yù)計(jì)僅有約130個(gè)希格斯離殼事例滿足篩選條件；而本底噪聲污染嚴(yán)重，且信號(hào)與相同末態(tài)的本底事例存在極強(qiáng)的量子干涉效應(yīng)。為此，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)稀有的希格斯離殼事例開展攻關(guān)，一方面開發(fā)出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法來準(zhǔn)確估計(jì)各部分非相干本底的貢獻(xiàn)，以最大限度減小系統(tǒng)誤差，另一方面通過蒙特卡洛方法詳細(xì)研究希格斯信號(hào)與相干本底的多個(gè)維度的干涉譜形，以從復(fù)雜的干涉譜形中分解出信號(hào)事例。經(jīng)過逾4年的不懈努力，研究團(tuán)隊(duì)終于獲得突破，首次觀測(cè)到希格斯粒子離殼事例的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，同時(shí)聯(lián)合希格斯在殼事例，測(cè)量得到希格斯粒子寬度的中心值為3.2 MeV，上限5.6MeV下限1.5MeV，測(cè)量誤差顯著壓低，是迄今為止最精確的測(cè)量結(jié)果。研究成果為進(jìn)一步理解電弱對(duì)稱性自發(fā)破缺機(jī)制和真空穩(wěn)定性問題提供了強(qiáng)有力的幫助，同時(shí)也為探索超出標(biāo)準(zhǔn)模型新物理提供了重要參考。

左圖： 實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的希格斯粒子寬度的似然值掃描結(jié)果。 右圖： 實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的希格斯粒子離殼事例信號(hào)強(qiáng)度的似然值掃描結(jié)果。

此項(xiàng)研究經(jīng)過CMS合作組審核，于2021年10月發(fā)布初步結(jié)果后，立刻受到同行的廣泛關(guān)注，被多家媒體報(bào)道，隨后在歐洲核子研究中心以專題報(bào)告的形式進(jìn)行展示。在2022年紀(jì)念希格斯粒子發(fā)現(xiàn)10周年的大會(huì)上，研究成果被歐洲核子研究中心評(píng)為希格斯粒子性質(zhì)研究的十一項(xiàng)最重要的進(jìn)展之一，同時(shí)入選《Nature》、《Nature Physics》和《Nature Reviews Physics》挑選的合集《The Higgs boson discovery turns ten》。

研究成果被CERN News, SCI NEWS,環(huán)球科學(xué)等多家媒體報(bào)道

在此項(xiàng)研究中，我校物理學(xué)院袁麗副教授擔(dān)任分析負(fù)責(zé)人，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成了從分析框架搭建、分析策略的制定和實(shí)施，到物理結(jié)果的產(chǎn)出和驗(yàn)證等關(guān)鍵工作，與美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的博士后UlascanSarica共同完成了論文撰寫，并負(fù)責(zé)回復(fù)審稿人的意見。北航博士生王翰文在此項(xiàng)研究中做出重要貢獻(xiàn)，代表研究團(tuán)隊(duì)在CMS合作組內(nèi)做總結(jié)報(bào)告。團(tuán)隊(duì)成員多次在國際會(huì)議中代表CMS合作組匯報(bào)研究成果。此項(xiàng)研究受到國家自然科學(xué)基金委、國家科技部、北航拔尖人才支持計(jì)劃資助。

歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）是目前世界上能量最高的粒子加速器，CMS探測(cè)器是LHC上四個(gè)大型探測(cè)器之一。依托CMS探測(cè)器組建的CMS國際合作組，由來自約40個(gè)國家的200多個(gè)大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的近4000名物理工作者和工程師組成。我國現(xiàn)有中國科學(xué)院高能物理研究所、北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等8家單位參與CMS實(shí)驗(yàn)。北航CMS團(tuán)隊(duì)積極參與探測(cè)器的運(yùn)行維護(hù)和物理研究，在希格斯粒子性質(zhì)測(cè)量和新粒子尋找等熱點(diǎn)課題研究中，近年來發(fā)表北航成員為主要作者（合作組論文作者按照字母排序，無第一、通訊作者，對(duì)論文作主要貢獻(xiàn)者由合作組發(fā)言人書面說明）的合作組論文10余篇。