在ATLAS实验上通过矢量玻色子融合过程寻找希格斯玻色子的底夸克对衰变

The Higgs boson was discovered by both the ATLAS and CMS collaborations. The expected dominant decay mode of the Higgs boson (H->bb̄) has not been observed with more than 5 sigma significance by any experiments. This study searches for bb̄ decay of the Standard Model Higgs boson produced through vector boson fusion (VBF) in association with two jets, and performs measurements of H->bb̄ branching ratio. This measurement gives further information on the nature of the Higgs boson and provides direct tests of the Standard Model predictions. This study is challenging due to large amount of background in proton-proton collision. We make use of the new b jet trigger in ATLAS experiment to optimize the signal trigger. We develop multivariate analysis for this study to improve the signal to background ratio. We also introduce a new category in the analysis that requires a high-pT photon in the final state. This high-pT photon category can dramatically enhance the signal-to-background ratio in the VBF production mode. The gluons induced background is naturally suppressed because the gluons are not charged and do not radiate photons. This study will be performed with run 2 data collected with the ATLAS detector in next few years. This study is expected to observe H->bb̄ signal with more than 5 sigma significance and provide the measurement of H->bb̄ branching ratio.

希格斯玻色子被发现至今，其最主要的衰变过程——正反底夸克对衰变（H->bb̄），仍然只有初步实验迹象，还尚未被实验数据最终确认。寻找该衰变过程是高能量前沿的重要任务，其结果是对粒子物理标准模型的关键检验。本研究基于ATLAS实验，在矢量玻色子融合过程中寻找希格斯粒子的正反底夸克对衰变道（H->bb̄)。由于背景事件较多，本研究在实验上具有很大的挑战性。我们拟通过优化信号触发设计、结合深度学习多变量分析的方法提高信噪比。另外，拟引入高能光子末态子集（category)，利用背景事件中的胶子与光子没有相互作用的特性，进一步降低胶子喷注的背景事件。本研究预期在未来四年中利用大型强子对撞机的对撞数据，可以在矢量玻色子融合过程中显著地观测到希格斯玻色子的底夸克对衰变道。结合W/Z+H与ttH等过程进行联合分析，预期能以大于5倍标准差的显著度发现希格斯粒子的正反底夸克对的衰变过程。

自从在希格斯玻色子（Higgs Boson）发现后，希格斯玻色子不同产生模式和衰变模式的寻找和研究成为大型强子对撞机上最重要的研究课题之一。其中，希格斯玻色子的底夸克对衰变（H→bb）是其最主要的衰变模式。提高该衰变模式的实验测量精度对进一步了解希格斯粒子性质与寻找新物理有非常重要的意义。.然而该衰变模式的背景过程很多，亟需提高实验测量的信噪比。针对这个关键实验问题，项目组利用ATLAS实验第二次运行的全部数据，提出高能光子伴随末态等新方法提高了H→bb的分析的灵敏度，并以3倍标准差的显著度在矢量玻色子熔合过程（VBF过程）单个分析中观测到希格斯玻色子的底夸克对衰变（H→bb）迹象，该新结果的灵敏度比ATLAS实验上一轮分析的灵敏度提高了2.7倍，是目前该分析道最好的结果。项目负责人在Higgs 2020国际会议上代表ATLAS与CMS合作组作了大会报告，报告了VBF过程的希格斯玻色子测量的最新结果。该报告也是ATLAS合作组首次公开第二次运行全部数据VBF过程H→bb衰变的分析结果。ATLAS合作组对该结果制作了专门展示性的网页介绍物理重要性（Physics Briefing）。在2022年，本项目研究的VBF过程H→bb的分析结果与ttH、W/Z+H过程H→bb结果进行联合分析，希格斯玻色子的底夸克对衰变的显著度超过5σ。该联合分析的结果收录在ATLAS合作组“Higgs发现10周年”的论文中。. 另外，利用希格斯玻色子作为探针寻找新物理成为高能量前沿最热门的研究课题。然而，希格斯玻色子的主要衰变过程（H→bb）在高能区的探测识别效率低。针对这个问题，项目组提出在希格斯玻色子质心系做底夸克识别的新方法，并在“希格斯粒子与高能光子”的末态中寻找新物理，其结果发表在国际著名杂志Physical Review Letters (PRL)上。PRL杂志的评委专家在审稿意见中高度评价本研究提出的新算法。. 项目执行后，中国组在ATLAS国际合作组的地位得到提高。项目负责人被ATLAS合作组委任为ATLAS合作组出版审批委员会的委员（publication committee）。该委员会通常由资深物理学家组成，负责对ATLAS实验每篇合作组文章进行审核与对物理结果进行把关，这也是中国组成员首次担任该委员会的委员。