利用ATLAS探测器寻找Higgs衰变到正反底夸克对的过程

The new boson observed by both ATLAS and CMS experiments at LHC is probably the Higgs particle predicted by the Standard Model theory. However, the Higgs-like boson is only observed in the decay mode of di-bosons, but not in the femions pair. According to the theorectical calculation, the Standard Model Higgs with the mass at 125 GeV dominately decays into the bottom quarks pair, so it is very important to search for the Higgs-like boson in the bottom quarks decay mode in order to determine whether the Higgs-like particle is the Standard Model Higgs particle. In 2015, the ATLAS detector will start to collect new data with the central mass energy at 14 TeV after the update is done in the coming two years. This work will use the decay mode of H->bb to search for the Higgs with experimentally measurable Higgs production processes including WH/ZH, Vector Boson Fusion, and the ttH process, and to measure the cross sections of all the production processes. These measurments will provide valuable information for understanding the Higgs mechanism in the Standard Model.

在LHC上运行的ATLAS和CMS实验所发现的新玻色子，很可能是标准模型预言的希格斯粒子。但是到目前为止，实验上发现新粒子的过程仅限于双玻色子衰变末态，而在双费米子末态中还没有观测到明显的信号。标准模型理论预言,质量为125GeV的希格斯粒子主要是衰变到正反底夸克对,所以通过正反底夸克对衰变末态寻找新玻色子信号对于确认其是否为标准模型希格斯粒子是非常重要的。ATLAS探测器升级后将在2015年开始收集质心能量为14TeV的高统计量数据，本工作将通过正反底夸克对衰变过程在实验上可测量的希格斯粒子产生过程中系统地寻找希格斯粒子信号，以检验新粒子是否是标准模型的希格斯粒子，并测量希格斯粒子各产生过程的反应截面，从而可为研究希格斯机制提供重要的实验依据。

2012年7月，LHC在质量为125 GeV处发现一个新玻色子，而且随后的测量结果都预示着该粒子与标准模型理论预言的Higgs基本一致。但对新发现粒子有诸多性质需要通过实验结果一一验证来全面深入理解Higgs粒子。 本项目执行时间为2014年1月至2017年12月，根据LHC运行结果，本项目分析了2015+2016年采集的积分亮度为36.1fb-1的13 TeV数据。利用更大的数据样本可寻找H→bb的衰变过程以及ttH产生过程。. 利用VH，H→bb的分析首次在实验上以3.5σ信号显著性观察到希格斯粒子衰变到底夸克对末态迹象。H→bb是125GeV希格斯粒子最主要的衰变过程，所以实验上确认该衰变过程有着重要的意义。实验结果由项目之初的没有任何信号显著性（上限为1.8倍的理论预期），到现在的3.5σ信号显著性（理论预期为3.0σ），该研究取得了重大的进展。而且信号强度与理论预言比较一致，又提供了一项重要的实验证据证明该粒子为标准模型中的Higgs粒子 。. 通过联合ttH, H→3-lepton末态的分析结果(最灵敏之一）与其它轻子末态分析结果，实验上首次以4.1σ信号显著性（理论预期为2.8σ）观察到希格斯粒子的ttH产生过程迹象，而在项目申请之初还没有任何的关于ttH的实验结果。 ttH产生过程是希格斯粒子在LHC上的四个主要产生过程之一，不仅有助于理解希格斯的产生机制，同时也可以测量希格斯粒子与top夸克的汤川耦合常数，是深入理解希格斯机制和寻找新物理的重要实验实验场所。 . 截至2017年底，ATLAS已经采集了80fb-1的实验数据，于2018年底完成所有Run 2的取数，届时将取得至少120 fb-1的数据，统计量为本项目分析样本的4倍，很有可能在实验上首次在大于5 σ的情况下观察到H→bb衰变过程和ttH的产生过程，为深入理解希格斯机制提供重要的实验依据。该项目由很好的研究前景。