近日，欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）上的ATLAS合作组发布了希格斯粒子稀有衰变研究领域的重大突破成果：基于全部Run2数据和部分Run3数据的联合研究，团队在希格斯粒子稀有衰变H→Zγ通道上给出了迄今最严格的预期约束[1]，同时在H→μμ通道上观测到显著迹象[2]。
希格斯玻色子赋予其他基本粒子质量，但它的很多衰变方式极其罕见，很难被捕捉到。寻找它们，是检验标准模型并探索新物理提供重要途径。在LHC的质子对撞中，大约每十万亿次对撞才能产生一个H→Zγ或H→μμ事例。这些稀有衰变信号被强烈的本底噪声掩盖，给实验上这些信号的寻找带来了极大的挑战。
ATLAS团队利用2015—2018年的全部Run2数据，以及2022年起采集的部分Run3数据，对两个稀有衰变模式分别进行了分析：
H→Zγ：获得迄今最严格的衰变率上限
稀有衰变过程H→Zγ是最后一个未被发现的希格斯电弱玻色子对衰变模式，对这一过程的研究可以直接探索希格斯圈图相互作用，为新物理探索提供了窗口。
研究团队通过优化分析策略，有效地将信号显著性提高了28%，单实验达到2.5σ，这一结果虽然这还未达到“证据”所需的精确度，但也给出迄今最严格的预期约束[1]，为进一步搜索奠定重要实验基础。
H→μμ：观测到3.4σ的明显迹象
对稀有衰变过程H→μμ的寻找可以直接探索希格斯与第二代费米子相互作用。μ子质量的高精度测量（相对精度达到十亿分之二十二）检验理论提供了独特窗口。在本次分析中，ATLAS实验中首次在H→μμ通道上观测到3.4σ的显著度迹象，在粒子物理中，超过3σ意味着信号是背景随机涨落的概率小于千分之一，3.4σ已经是一个相当强烈的暗示，表明我们很可能看到了真实信号，但仍需更多数据来最终确认。
这两项研究均由中国科学院高能物理研究所黄燕萍研究员和叶竞波研究员带领研究团队完成，其中，H→Zγ分析由高能所主导完成，高能所团队成员韩朔副研究员担任希格斯光子物理工作组协调人（convener），吴韶光担任内部文档编辑（Internal Note Editor），贺明旭完成审核报告（Approval Talk），博士后沈秋平与前团队成员冉坤林共同担任论文编辑（Paper Editor），参与该分析的还有上海交通大学、南京大学、哥本哈根大学等国内外研究机构团队。H→μμ分析由高能所与中国科学技术大学、山东大学、南京大学、布鲁克海文国家实验室、英国牛津大学、意大利罗马大学、法国巴黎萨克雷大学等国内外科研机构合作完成。
在这两项研究中，高能所团队在分析框架构建、样本产生、分析策略优化、统计学分析、电子和光子能量的精确刻度及文档编辑等方面发挥核心作用，黄燕萍研究员更是自2013年起便致力于H→Zγ的寻找[3]，并曾推动并完成ATLAS与CMS团队的首个联合分析，首次观测到H→Zγ迹象[4]。
这两项结果为精确检验希格斯机制和寻找新物理指明了方向。随着LHC进入高亮度运行阶段（HL-LHC），数据量将大幅增加。届时，H→Zγ和H→μμ两个通道有希望得到更高精度的测量，从而打开一扇通往新物理的窗口。
[1]. PLB(已接收): https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/HIGP-2024-19/
[2]. PRL 135 (2025) 231802: https://doi.org/10.1103/gzdh-p159
[3]. PLB 809 (2020) 135754: https://doi.org/10.1016/j.physletb.2020.135754
[4]. PRL 132 (2024), 021803: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.021803
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