十多年来，科学界一直致力于窥探宇宙的基本构建模块，并受一套被称为“标准模型”的理论框架所引导。该模型充当了亚原子世界的周期表，编目了构成物质的粒子以及支配它们相互作用的力量。在这个框架的核心位置是希格斯玻色子，这是在2012年发现的一种粒子，负责赋予其他粒子质量。虽然希格斯玻色子与顶夸克和底夸克等重粒子有强烈的相互作用，但它与较轻粒子的关系仍然是一个谜。其中最难以捉摸的联系之一便是希格斯玻色子与粲夸克之间的纽带，后者是一种较轻的粒子，由于在自然界中非常普遍，探测起来异常困难。理解这种特定的相互作用至关重要，因为任何与标准模型预测的偏差都可能暗示着超越我们现有理解的新型、尚未被发现的物理学。
一位在瑞士大型强子对撞机中紧凑缪子线圈（CMS）探测器工作的研究人员，现在向解决这一谜题迈出了重要一步。他们进行了一项针对特定事件的大规模搜索：即希格斯玻色子与一个粲夸克共同产生。在对撞机内部质子的高能碰撞中，希格斯玻色子通常是与其他重粒子共同产生的，但该团队将重点放在了它与粲夸克同时出现的罕见情况上。为了寻找这一信号，他们寻找了一种非常特定的衰变模式。当希格斯玻色子被创造出来时，它几乎会立即分解为两个W玻色子，后者是弱核力的载体。这些W玻色子随后进一步衰变，其中一个转化为一个电子和一个中微子，另一个则转化为一个缪子和一个中微子。研究人员从对应于138万亿亿次碰撞（收集于2016年至2018年间）的数据中进行筛选，寻找这种由一个电子、一个缪子和一个粲夸克喷注，以及由不可见的中微子携带的缺失能量所组成的独特特征。
这项搜索面临的挑战是巨大的，因为他们搜寻的信号极其微弱，埋没在来自其他常见粒子相互作用的海量背景噪声之下。为了将稀有的信号从噪声中分离出来，他们采用了复杂的计算机算法，这些算法经过训练，能够识别目标事件与压倒性背景之间的细微差别。他们根据检测到的粲夸克喷注数量对数据进行了分类，并使用统计方法将观察结果与标准模型的预测进行比较。分析显示，他们发现的事件数量与仅由背景噪声引起的数量一致；他们并未发现明显的事件过剩来表明存在与粲夸克共同产生的希格斯玻色子。
由于没有发现明确的信号，研究人员对这一事件发生的频率设定了严格的上界。他们确定，如果这一过程确实发生，其发生频率在95%的置信水平下，不会超过标准模型预测值的约1,065倍。当他们将这些结果与之前在涉及两个光子的不同衰变通道中进行的相同现象搜索相结合时，约束变得更加严格。综合分析表明，希格斯玻色子与粲夸克之间相互作用的强度小于标准模型预测强度的47倍。虽然这尚未证明新物理学的存在，但它显著缩小了此类新物理学可能隐藏的范围。这项研究表明，即使使用最先进的探测器和分析技术，粲夸克仍然是希格斯玻色子难以揭示的顽固伙伴，未来需要更大的数据集和更精细的方法才能最终确定它们之间联系的确切性质。
技术摘要：寻找与粲夸克（charm quark）伴生的希格斯玻色子，其衰变为一对W玻色子
问题与动机
自希格斯玻色子发现以来，精确测量其与标准模型（SM）粒子的耦合已成为主要目标。虽然其与第三代费米子及玻色子的耦合已得到充分证实，但对粲夸克汤卡瓦耦合（κc）的直接约束仍然具有挑战性。以往对 H→ccˉ 衰变的直接搜索已通过先进的粲标记技术得到了显著提升，然而，通过希格斯玻色子与粲夸克伴生产生（cH）的过程也可以获取对 κc 的探测。该通道通过初始态中粲夸克辐射出一个希格斯玻色子来探测 κc。尽管 cH 产生的截面很小（约为总希格斯产生率的 ∼0.2%），但它提供了与 H→ccˉ 衰变截然不同的事件特征。本文展示了对 cH 产生过程的搜索，其中希格斯玻色子衰变为一对 W 玻色子（H→WW），其中一个 W 衰变为电子-中微子对，另一个 W 衰变为缪子-中微子对（eνμν）。选择这一特定末态是为了抑制占主导地位的 Z+jets 背景，该背景主要影响同味对莱普顿通道。
方法论
本分析利用了 CMS 探测器在 s=13 TeV 下，在 2016、2017 和 2018 数据采集期间收集的质子-质子碰撞数据，对应于 138 fb−1 的积分亮度。
- 事件选择： 事件选择要求恰好有一个隔离的电子和一个隔离的缪子，且两者电荷相反。运动学要求包括：前导轻子 pT>25 GeV，次前导轻子 pT>15 GeV，缺失横向动量（pTmiss） >20 GeV，以及次前导轻子的横向质量 mTℓ2>30 GeV。
- 粲喷注识别： 喷注使用 anti-kT 算法进行重建。粲喷注（c-jets）使用基于深度神经网络的标记器 DEEPJET 算法进行识别。事件必须包含至少一个满足 pT>20 GeV、∣η∣<2.4 以及特定判别阈值（$CvsL > 0.12且CvsB > 0.5）的喷注，以确保粲标记效率并抑制轻味和b$-喷注的误标记。
- 信号区（SRs）与控制区（CRs）： 根据识别出的粲喷注数量（Nc−j=1 和 Nc−j>1）将事件分为两个 SR，并设立两个 CR（高质量对轻子和富含 top 的区域）以约束背景归一化。主要的背景是 ttˉ 产生过程，贡献了约 90% 的总背景。
- 多变量分析： 采用了两个提升决策树（BDT）分类器：
- Dbkg：用于区分 cH 信号与非希格斯背景（例如 ttˉ、单顶过程、双玻色子、V+jets）。
- DH−bkg：用于区分 cH 信号与其他希格斯产生过程（例如 $ggH、VBF、VH、t\bar{t}H和bH$）。
这些分类器的输出通过 k-means 聚类算法结合，以创建一个用于最终统计拟合的一维分箱分布。
- 模拟与背景建模： 信号（cH）和背景过程使用各种生成器（MADGRAPH5_aMC@NLO, POWHEG, SHERPA）配合 PYTHIA 8 进行部分子淋洗和强子化模拟。关于重味方案（对于 cH 是 4-flavor 还是 3-flavor）以及 H+jets 中重味建模的理论不确定性被视为显著的形状不确定性。
主要贡献与结果
本分析在所有信号区和控制区执行同步分箱最大似然拟合。评估了两种情景：
- 1POI 拟合： H+粲背景（H+c-bkg）的归一化固定为标准模型预测值。
- 2POI 拟合： 允许 H+c-bkg 的归一化浮动，以测试信号成分与背景成分之间是否存在潜在相关性。
结果：
- 信号强度（μcH）： 在 1POI 情景下，观测到的（预期的）相对于标准模型的信号强度上限分别为 1065 (506)。测得的信号强度为 μcH=390−270+380，在 1.5 个标准差内与标准模型一致。敏感度主要由 Nc−j=1 类别主导。
- 耦合修正因子（κc）： 在平坦方向假设下（即其他希格斯耦合随之调整以保持其他信号强度为 1），观测到的（预期的）对粲汤卡瓦耦合修正因子的限制为 ∣κc∣<211 (95)，置信水平（CL）为 95%。
- 组合分析： 当与之前 CMS 在光子对衰变通道中的 cH 搜索相结合时，限制得到了提升。组合后的观测（预期）μcH 上限为 257 (281)，转化为耦合修正因子的限制为 ∣κc∣<47 (51)，置信水平为 95% CL。
意义
本文展示了首次对 H→WW 衰变模式下的 cH 产生过程进行的搜索。虽然目前的限制尚未能与直接的 H→ccˉ 搜索或间接约束相媲美，但该通道提供了一个替代且互补的手段，用于探测希格斯-粲汤卡瓦耦合。该分析证明了利用先进的学习算法和特定的运动学选择，在受 ttˉ 背景主导的复杂末态中分离出 cH 产生的能力。论文指出，目前的敏感度受限于数据的统计不确定性以及与重味建模相关的显著理论不确定性。预计随着高亮度 LHC 的更大数据集以及重味喷注识别算法的进步，未来会有所提升。
每周获取最佳 high-energy experiments 论文。
受到斯坦福、剑桥和法国科学院研究人员的信赖。
请查收邮箱确认订阅。
出了点问题，再试一次？
无垃圾邮件，随时退订。