2012年在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)上发现希格斯玻色子标志着粒子物理学的一个重要里程碑。从那时起，ATLAS和CMS的合作一直在努力研究这种独特粒子的特性，并寻找它产生和衰变成其他粒子的不同方式。

在本周的大型强子对撞机物理学(LHCP)会议上，ATLAS和CMS报告了他们如何联手寻找希格斯玻色子衰变成Z玻色子(弱力的电中性载体)和光子(电磁力的载体)的罕见过程的第一个证据。这种希格斯玻色子衰变可以提供粒子存在的间接证据，超出粒子物理学标准模型预测的证据。

希格斯玻色子衰变成Z玻色子和光子类似于衰变成两个光子。在这些过程中，希格斯玻色子不会直接衰变成这些粒子对。相反，衰变是通过“虚拟”粒子的中间“循环”进行的，这些粒子突然出现和消失，无法直接检测到。这些虚拟粒子可能包括与希格斯玻色子相互作用的新的、尚未被发现的粒子。

标准模型预测，如果希格斯玻色子的质量约为125亿电子伏特，大约0.15%的希格斯玻色子将衰变成Z玻色子和光子。但是一些扩展标准模型的理论预测了不同的衰减率。因此，测量衰变率为超越标准模型的物理学和希格斯玻色子的性质提供了有价值的见解。

以前，利用大型强子对撞机质子-质子碰撞的数据，ATLAS和CMS独立地对希格斯玻色子衰变成Z玻色子和光子进行了广泛的搜索。两次搜索都使用了类似的策略，通过衰变成电子对或μ介子(电子的较重版本)来识别Z玻色子。这些Z玻色子衰变发生在大约6.6%的情况下。

在这些搜索中，与希格斯玻色子衰变(信号)相关的碰撞事件将被识别为在光滑的事件背景下，衰变产物组合质量分布中的一个狭窄的峰。为了提高对衰变的敏感性，ATLAS和CMS利用了产生希格斯玻色子的最常见模式，并根据这些生产过程的特征对事件进行了分类。他们还使用先进的机器学习技术来进一步区分信号和背景事件。

在一项新的研究中，ATLAS和CMS现在已经联手，以最大限度地提高他们的搜索结果。通过结合2015年至2018年间第二次大型强子对撞机期间两个实验收集的数据集，合作显着提高了统计精度和搜索范围。

这种合作努力导致了希格斯玻色子衰变成Z玻色子和光子的第一个证据。结果具有 3.4 个标准差的统计显著性，低于声称观测值的 5 个标准差的传统要求。测得的信号速率比标准模型预测高 1.9 个标准差。

“每个粒子都与希格斯玻色子有着特殊的关系，这使得寻找罕见的希格斯衰变成为重中之重，”ATLAS物理协调员Pamela Ferrari说。“通过对ATLAS和CMS的个别结果的细致结合，我们已经朝着解开希格斯玻色子的另一个谜团迈出了一步。

“新粒子的存在可能对罕见的希格斯衰变模式产生非常显着的影响，”CMS物理协调员Florencia Canelli说。“这项研究是对标准模型的有力测试。随着大型强子对撞机的第三次运行和未来的高亮度大型强子对撞机的进行，我们将能够提高这项测试的精度，并探测更罕见的希格斯衰变。