ATLAS 測量結果的詮釋：在 √s = 13 TeV 的 pp 碰撞中，希格斯玻色子的產生和衰變率以及微分截面的測量結果

核心概念

本文詮釋了 ATLAS 實驗測量希格斯玻色子性質的結果，並探討了這些測量結果對標準模型有效場論 (SMEFT) 以及兩個紫外完備模型（雙希格斯二重態模型 (2HDM) 和最小超對稱標準模型 (MSSM)）的限制。

摘要

文獻資訊

• 標題：ATLAS 測量結果的詮釋：在 √s = 13 TeV 的 pp 碰撞中，希格斯玻色子的產生和衰變率以及微分截面的測量結果
• 作者：ATLAS Collaboration
• 期刊：JHEP
• 出版日期：2024 年 11 月 25 日

研究目標

本研究旨在利用 ATLAS 實驗在 LHC Run 2 階段收集的 pp 碰撞數據（高達 139 fb−1，√s = 13 TeV），測量希格斯玻色子的產生和衰變率以及微分截面，並將這些測量結果用於限制標準模型有效場論 (SMEFT) 以及兩個紫外完備模型（雙希格斯二重態模型 (2HDM) 和最小超對稱標準模型 (MSSM)）的參數。

方法

• 研究人員使用 ATLAS 探測器收集了大量的 pp 碰撞數據，並分析了希格斯玻色子在不同衰變通道中的產生和衰變。
• 他們使用簡化的模板截面 (STXS) 和微分截面測量方法來提取希格斯玻色子的性質。
• 這些測量結果被用於限制 SMEFT 中的威爾遜係數，以及 2HDM 和 MSSM 中的模型參數。

主要發現

• 測量結果與標準模型預測一致。
• 研究人員獲得了對 SMEFT 威爾遜係數的新限制，這些限制對新物理效應提供了模型無關的約束。
• 他們還獲得了對 2HDM 和 MSSM 參數的限制，這些限制與直接搜尋額外希格斯玻色子的結果互補。

主要結論

• ATLAS 的測量結果為希格斯玻色子的性質提供了迄今為止最精確的測量結果。
• 這些測量結果對 SMEFT、2HDM 和 MSSM 等新物理模型施加了重要的限制。
• 未來的 LHC 數據將進一步提高這些測量結果的精度，並可能揭示標準模型以外的新物理現象。

研究意義

這項研究對於理解希格斯玻色子的性質以及探索標準模型以外的新物理具有重要意義。它提供了對各種新物理模型的嚴格測試，並為未來在更高能量和更高亮度下進行的實驗指明了方向。

統計資料

ATLAS 實驗在 LHC Run 2 階段收集了高達 139 fb−1 的 pp 碰撞數據，√s = 13 TeV。
分析了希格斯玻色子在以下衰變通道中的產生和衰變：𝐻→𝑍𝑍∗(→4ℓ), 𝐻→𝛾𝛾, 𝐻→𝑏𝑏, 𝐻→𝜏𝜏, 𝐻→𝑊𝑊∗(→𝑒𝜈𝜇𝜈), 𝐻→𝑍𝛾, and 𝐻→𝜇𝜇。
STXS 測量結果共提取了 78 個信號產率參數。
數據與標準模型預測的相容性 𝜒2 為 50，自由度為 78，對應的 p 值為 99.4%。

引述

"Measurements of the Higgs boson production times decay rates and differential cross-sections have recently been performed by the ATLAS experiment in several decay channels using up to 139 fb−1 of proton–proton collision data at √𝑠= 13 TeV recorded at the Large Hadron Collider."
"This paper presents multiple interpretations of these Higgs boson measurements."
"The constraints on the 2HDM parameters (cos(𝛽−𝛼), tan𝛽) and the MSSM parameters (𝑚𝐴, tan𝛽) are complementary to those obtained from direct searches for additional Higgs bosons."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Interpretations of the ATLAS measurements of Higgs boson production and decay rates and differential cross-sections in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV

by ATLAS Collab... 於 arxiv.org 11-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2402.05742.pdf

深入探究

未來 LHC 的升級將如何進一步提高希格斯玻色子性質測量的精度，以及這些測量結果將如何用於探索新的物理現象？

未來 LHC 的升級計畫，例如高亮度 LHC（HL-LHC）和未來環形對撞機（FCC），將通過以下方式顯著提高希格斯玻色子性質測量的精度：

提高亮度： HL-LHC 預計將使 LHC 的亮度提高 10 倍，而 FCC 則更將進一步提升。更高的亮度意味著將產生更多的希格斯玻色子，從而可以更精確地測量其性質，例如：

更精確地測量希格斯玻色子的質量和衰變寬度。
更精確地測量希格斯玻色子與其他粒子的耦合強度。
發現希格斯玻色子新的衰變模式。

提高能量： FCC 將把對撞能量提高到 100 TeV，這將使我們能夠探測到更高能區的新物理現象，例如：

產生更重的希格斯玻色子。
產生其他與希格斯機制相關的新粒子。
這些更精確的測量結果將可以用於探索新的物理現象，例如：

檢驗標準模型： 通過將測量結果與標準模型的預測進行比較，可以尋找標準模型之外的新物理現象的跡象。
探索暗物質的本質： 希格斯玻色子可能與暗物質粒子相互作用，因此對希格斯玻色子性質的精確測量可以幫助我們了解暗物質的本質。
研究宇宙早期演化： 希格斯玻色子在宇宙早期演化中扮演著重要角色，因此對其性質的精確測量可以幫助我們更好地理解宇宙的起源和演化。

如果在未來的實驗中發現希格斯玻色子的性質與標準模型預測存在顯著差異，那麼哪些替代模型可以解釋這些差異？

如果未來實驗發現希格斯玻色子的性質與標準模型預測存在顯著差異，則意味著存在超出標準模型的新物理現象。以下是一些可以解釋這些差異的替代模型：

超對稱模型（SUSY）： 超對稱模型預測存在許多新的粒子，包括多個希格斯玻色子。這些新的希格斯玻色子可以與標準模型希格斯玻色子混合，從而改變其性質。
雙希格斯二重態模型（2HDM）： 2HDM 模型引入了第二個希格斯二重態，從而預測存在五個物理希格斯玻色子：兩個帶電希格斯玻色子、兩個中性 CP-偶希格斯玻色子（其中一個是標準模型希格斯玻色子）和一個中性 CP-奇希格斯玻色子。這些新的希格斯玻色子可以通過與標準模型希格斯玻色子的混合或新的相互作用來改變其性質。
額外維度模型： 額外維度模型預測存在 Kaluza-Klein 粒子，這些粒子可以與標準模型希格斯玻色子混合，從而改變其性質。
複合希格斯模型： 複合希格斯模型認為希格斯玻色子不是基本粒子，而是由更基本的粒子組成的。這種情況下，希格斯玻色子的性質將由其組成粒子的性質決定，並且可能與標準模型的預測不同。
需要注意的是，以上只是一些可能的替代模型，實際情況可能更加複雜。需要根據具體的實驗結果來判斷哪種模型更符合實際情況。

希格斯玻色子的發現對我們理解宇宙的起源和演化有何啟示？

希格斯玻色子的發現是粒子物理學的重大突破，它對我們理解宇宙的起源和演化具有以下重要啟示：

物質質量的起源： 希格斯玻色子是希格斯場的量子激發，而希格斯場賦予了基本粒子質量。這一發現證實了粒子物理學標準模型的核心預測，即基本粒子通過與希格斯場相互作用而獲得質量。
電弱對稱性破缺： 希格斯場的非零真空期望值導致了電弱對稱性破缺，使得電磁力和弱力在低能下表現出不同的性質。這一機制解釋了為什麼弱力是短程力，而電磁力是長程力。
宇宙早期的相變： 在宇宙早期，溫度極高，希格斯場的真空期望值為零，電弱對稱性保持完整。隨著宇宙膨脹和冷卻，希格斯場經歷了相變，獲得了非零真空期望值，導致電弱對稱性破缺。這一相變對宇宙的演化產生了深遠影響，例如導致了夸克的禁閉和質子和中子的形成。
宇宙的穩定性： 希格斯玻色子的質量對宇宙的穩定性至關重要。如果希格斯玻色子的質量過低，則希格斯場可能會發生量子穿隧效應，導致宇宙坍縮。而如果希格斯玻色子的質量過高，則希格斯場可能會變得不穩定，導致宇宙迅速膨脹。目前測量到的希格斯玻色子質量表明我們的宇宙處於亞穩定的狀態，這意味著宇宙在未來可能會發生相變，但目前仍然是穩定的。
總之，希格斯玻色子的發現極大地增進了我們對物質質量起源、基本力統一、宇宙早期演化以及宇宙穩定性等基本問題的理解。隨著未來實驗對希格斯玻色子性質的更精確測量，我們將對宇宙的起源和演化有更深入的認識。