CMS实验利用新数据推进希格斯玻色子对搜寻

CMS协作组近期公布希格斯玻色子对产生研究的新进展。该研究基于CMS探测器在2022年至2024年记录的质心能量为13.6 TeV的质子碰撞数据，重点搜寻一个希格斯玻色子衰变为底夸克—反底夸克、另一个希格斯玻色子衰变为τ轻子—反τ轻子的过程，即HH→bbττ通道。

自2012年希格斯玻色子被发现以来，CMS和ATLAS合作组持续测量希格斯玻色子与其他标准模型粒子的相互作用，目前结果总体仍与标准模型预言相符。相比之下，多个希格斯玻色子之间的“自耦合”仍有待通过实验进一步验证。希格斯玻色子对产生过程正是研究这一问题的重要途径，也可能为标准模型之外的新物理探索提供线索。

在大型强子对撞机上，希格斯玻色子对主要可通过胶子—胶子融合和矢量玻色子融合两类机制产生。前者有助于研究希格斯玻色子自耦合，后者则可用于研究两个希格斯玻色子与两个W或Z玻色子之间的相互作用。由于两类过程在探测器中呈现的事件形态不同，研究人员可以据此区分事件来源，并分别约束相关相互作用强度。

上图：CMS 实验在 2024 年数据采集期间记录到的 HH→bbττ 候选事件。

此次分析采用了2022年至2024年间收集的172 fb⁻¹数据。结果显示，在95%置信水平下，CMS将观测到的希格斯玻色子对产生率上限设定为标准模型预测值的6.6倍;矢量玻色子融合产生希格斯玻色子对的上限为标准模型预测值的81倍。

上图：95% CL 下 HH 产量的观察值和预期值。

研究还结合了2016年至2018年在13 TeV质心能量下收集的138 fb⁻¹数据。综合结果显示，在95%置信水平下，希格斯玻色子对总产生截面上限为标准模型预测值的4.0倍;希格斯玻色子自耦合强度被限制在-2.5至9.4之间，两个希格斯玻色子与两个矢量玻色子的耦合强度被限制在0.02至2.1之间。

由于希格斯玻色子对的产生率约比单个希格斯玻色子低1000倍，该类研究对数据量和分析方法要求很高。为提高灵敏度，CMS在本次分析中引入了效率更高的触发算法和新的机器学习方法。后续随着2025年和2026年更多数据积累，并与其他衰变通道开展统计组合，希格斯玻色子对搜寻的灵敏度有望继续提升。计划于2030年左右投入运行的高亮度大型强子对撞机，也将为CMS记录更大规模数据样本提供条件。