位于歐洲核子中心（CERN）大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上的ATLAS實(shí)驗(yàn)近期在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上發(fā)表了尋找希格斯玻色子衰變到正反繆子對(duì)（H→μ+μ-）過程的實(shí)驗(yàn)研究（Phys. Rev. Lett. 135 (2025) 231802），并獲得編輯推薦（Editors’ Suggestion）及美國(guó)物理學(xué)會(huì)Viewpoint專門報(bào)道。該項(xiàng)工作是繼CMS實(shí)驗(yàn)之后，首次在ATLAS實(shí)驗(yàn)中獨(dú)立確立了H→μ+μ-這一稀有過程存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)（evidence），是探索基本粒子質(zhì)量起源的又一個(gè)里程碑式成就。

目前已知的組成物質(zhì)的最小單元是帶電的基本費(fèi)米子（以下簡(jiǎn)稱費(fèi)米子），它們可分為三代。第一代費(fèi)米子包括電子以及上、下夸克。他們組成各種原子（元素），構(gòu)成宇宙中絕大部分已知物質(zhì)形態(tài)。第二代與第三代費(fèi)米子性質(zhì)與第一代相似，但質(zhì)量更重且極不穩(wěn)定，僅能在實(shí)驗(yàn)室或宇宙線等極端環(huán)境中被短暫制造出來(lái)。根據(jù)描述基本粒子的標(biāo)準(zhǔn)模型理論，費(fèi)米子的質(zhì)量是通過與遍布整個(gè)宇宙的希格斯場(chǎng)相互作用獲得的。但是這一關(guān)鍵的理論預(yù)言目前僅在最重的第三代費(fèi)米子上得到了驗(yàn)證，而較輕的第二代乃止第一代費(fèi)米子質(zhì)量是否起源于希格斯場(chǎng)仍未得到實(shí)驗(yàn)的直接證實(shí)。繆子屬于第二代費(fèi)米子，如果能找到希格斯玻色子衰變到正反繆子對(duì)這一過程，科學(xué)家就可以確認(rèn)繆子的質(zhì)量同樣來(lái)自于與希格斯場(chǎng)的相互作用。然而，這一過程極為稀有。根據(jù)理論測(cè)算，LHC在13萬(wàn)億電子伏（TeV）的質(zhì)心系能量下每進(jìn)行十萬(wàn)億次質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞，才能產(chǎn)生一個(gè)H→μ+μ-事例。

中國(guó)科大ATLAS實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)利用正在進(jìn)行的三期運(yùn)行（Run 3）中采集的質(zhì)心系能量為13.6TeV的質(zhì)子-質(zhì)子碰撞數(shù)據(jù)，并聯(lián)合二期13 TeV運(yùn)行（Run 2）數(shù)據(jù)，首次在ATLAS實(shí)驗(yàn)中以3.4倍標(biāo)準(zhǔn)差的水平確認(rèn)了H→μ+μ-存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。在這項(xiàng)工作中，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)參與了繆子的動(dòng)量精細(xì)刻度，搭建了完整的數(shù)據(jù)分析框架，并探索了多種提升H→μ+μ-信號(hào)敏感度的可能方向，最終采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)了敏感度最優(yōu)的矢量玻色子聚合與膠子-膠子聚合產(chǎn)生道的信號(hào)與本底區(qū)分。此外，團(tuán)隊(duì)成員還推動(dòng)合作組產(chǎn)生了高達(dá)50億的高精度本底模擬樣本，并承擔(dān)了本底與數(shù)據(jù)建模，為從為海量本底事例中精細(xì)分離出稀有的H→μ+μ-信號(hào)創(chuàng)造了條件。在此基礎(chǔ)之上，團(tuán)隊(duì)還負(fù)責(zé)完成了系統(tǒng)誤差計(jì)算及最終結(jié)果的產(chǎn)生。

圖1：ATLAS實(shí)驗(yàn)從數(shù)據(jù)中提取出的H→μ+μ-信號(hào)（紅色）

論文主要完成人為我校研究生田純浩、劉子瑞、冶新萌（指導(dǎo)教師趙政國(guó)院士）、伊合山·木沙江（指導(dǎo)教師楊洪洮特任教授）、丁玥心（指導(dǎo)教師徐來(lái)林特任教授）、馬文昊（指導(dǎo)教師韓良教授）。其中伊合山·木沙江與田純浩還擔(dān)任實(shí)驗(yàn)內(nèi)部文檔編輯（internal note editor），并分別代表分析團(tuán)隊(duì)完成了揭盲（unblinding approval）與審閱（approval）報(bào)告。楊洪洮特任教授擔(dān)任本項(xiàng)工作的負(fù)責(zé)人（analysis contact），現(xiàn)擔(dān)任ATLAS實(shí)驗(yàn)希格斯與雙希格斯物理工作組負(fù)責(zé)人（convener）。此外，吳雨生教授團(tuán)隊(duì)在二期數(shù)據(jù)的分析工作中做出了重要貢獻(xiàn)。特別值得指出的是，以趙政國(guó)院士為代表的中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)在ATLAS實(shí)驗(yàn)繆子譜儀的建造、一期（Phase-I）升級(jí)與二期（Phase-II）升級(jí)中均發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為當(dāng)前及未來(lái)ATLAS實(shí)驗(yàn)以H→μ+μ-為代表的繆子相關(guān)物理研究提供了堅(jiān)實(shí)支撐。

中國(guó)科大ATLAS實(shí)驗(yàn)組是趙政國(guó)院士領(lǐng)導(dǎo)下的一支具有相當(dāng)規(guī)模和凝聚力的穩(wěn)定團(tuán)隊(duì)，目前包括16名教授副教授，2名特任副研究員，6名博士后，近30名博士和碩士研究生。科大組成員負(fù)責(zé)或參與探測(cè)器建造、運(yùn)行維護(hù)及性能研究、觸發(fā)優(yōu)化、末態(tài)重建性能的標(biāo)定，以及廣泛的物理研究。在標(biāo)準(zhǔn)模型的精確檢驗(yàn)和測(cè)量、希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)和性質(zhì)研究，以及超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理的直接尋找的物理研究中，取得了多個(gè)以科大組為主導(dǎo)并得到ATLAS國(guó)際合作組高度評(píng)價(jià)的重要物理結(jié)果。來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)