粒子物理学中，希格斯玻色子如何与自身相互作用的“自耦合”现象，是最大的未解之谜之一，它或许能解释早期宇宙演化及基本粒子质量来源机制。为揭示这种基本相互作用，ATLAS合作组近期对一对希格斯玻色子的“黄金”衰变通道之一展开研究，即一个希格斯玻色子衰变为两个光子，另一个衰变为一对底夸克。
图中展示了一对希格斯玻色子的碰撞候选事件，其中一个玻色子衰变为两个光子，另一个衰变为一对底夸克。源自底夸克的两个粒子喷注用青色圆锥表示，两个光子用黄色塔状结构表示。(图片：ATLAS/CERN)
ATLAS团队结合整个大型强子对撞机(LHC)第二阶段运行数据集(2015 - 2018年)和部分第三阶段运行数据集(2022 - 2024年)，显著提高了对该衰变通道分析的统计效力。这一成果刚发表在《物理快报B》上，标志着ATLAS首次基于超过300个飞靶恩(fb⁻¹)的质子 - 质子碰撞数据进行测量，1个飞靶恩约对应100万亿次碰撞。
研究这一衰变通道极具挑战性，一方面希格斯玻色子对产生概率极低，据预测每万亿次质子 - 质子碰撞中才会发生一次;另一方面，标准模型中模拟这种衰变模式存在显著背景干扰。为克服挑战，ATLAS物理学家利用机器学习等先进数据分析技术，从背景中分离出衰变信号。
得益于这些进展及部分Run 3数据集的加入，ATLAS研究人员对信号强度(观测信号除以标准模型预测值)和两个关键相互作用参数设定了更严格的限制。其中，希格斯玻色子自耦合强度除以其标准模型预测值，限制在 -1.6到6.6之间;两个希格斯玻色子与两个矢量玻色子(W或Z玻色子)之间的相互作用强度除以其标准模型预测值，限制在 -0.5到2.6之间。
这些结果凸显了ATLAS合作组在探索希格斯玻色子对“黄金”衰变通道产生方面日益增强的能力，也为未来测量希格斯玻色子的自耦合奠定基础，这对于理解宇宙大爆炸后的演化至关重要。随着完整的Run 3数据集即将发布以及高亮度大型强子对撞机(HLL LHC)即将投入使用，ATLAS已做好充分准备，进一步推进相关研究，加深对希格斯玻色子的理解，并探索超越标准模型的物理学的潜在迹象。
