近日，歐洲核子研究中心（CERN）的ATLAS和CMS實驗在第四十屆國際高能物理大會上宣佈了希格斯粒子衰變到雙繆子的證據。山東大學前沿交叉科學青島研究院粒子科學技術中心ATLAS團隊骨幹、齊魯青年學者李海峯教授對ATLAS實驗的物理結果有重要貢獻。

圖表1 希格斯粒子到雙繆子的候選事例

圖表2 ATLAS實驗的結果

繆子是宇宙中的一種基本粒子，大約是電子質量的二百倍。電子被列爲第一代粒子，而繆子是第二代粒子。希格斯粒子衰變到雙繆子是一種稀有現象，每五千個希格斯粒子中會有一個衰變到雙繆子。這是實驗室首次看到希格斯粒子和第二代粒子的相互作用，對於理解物質的基本相互作用有重要意義。圖表1和圖表2分別是ATLAS實驗希格斯粒子到雙繆子的候選事例和實驗結果。

ATLAS實驗觀測到了兩倍標準偏差的信號，對應統計漲落的幾率是5%。CMS實驗報告了三倍標準偏差的信號，所觀測信號統計漲落的幾率是0.3%。ATLAS和CMS聯合的結果超過了三倍標準偏差，提供了很強的希格斯粒子衰變到雙繆子的證據。

粒子物理的標準模型認爲，真空中充滿了希格斯場。希格斯粒子是希格斯場的量子激發。根據希格斯機制，基本粒子因與希格斯場耦合而獲得質量。通過測量希格斯粒子衰變到不同粒子的比率，物理學家們可以得到粒子和希格斯場相互作用的強度。衰變比率越高，粒子和希格斯場的相互作用就越強。2012年，ATLAS實驗和CMS實驗發現了希格斯粒子。希格斯粒子的發現標誌了標準模型的勝利，促使了François Englert和Peter Higgs獲得了2013年的諾貝爾物理學獎。到目前爲止，ATLAS實驗和CMS實驗已經觀測到了希格斯粒子衰變到W玻色子、Z玻色子和陶輕子，2018年觀測到了希格斯粒子和頂夸克、底夸克的相互作用。繆子的質量較輕，和希格斯場的相互作用更弱，所以之前並沒有在實驗上觀測到。

李海峯教授是ATLAS實驗希格斯粒子到雙繆子尋找工作的發起人之一。2015年至2018年底，李海峯教授擔任ATLAS合作組希格斯粒子到雙繆子分析組的負責人，構建了本底事例的估計方法，帶領團隊優化分析方法，使信號的顯著度提高了25%。以ATLAS通訊編輯的身份，發表PRL編輯推薦文章Phys. Rev. Lett. 119, 051802 (2017)。2018年，李海峯教授代表ATLAS合作組在國際高能物理大會上報告希格斯粒子稀有衰變的物理結果。

這項成果得到了山東大學齊魯青年學者項目和科技部重點研發項目的資助。山東大學於1996年加入ATLAS合作組。目前，山大ATLAS組由五位教授、一位外籍博士後和十幾位研究生組成，從事了前端繆子探測器的研製、生產以及LHC二期繆子探測器的升級工作，在物理分析方面側重於希格斯物理、頂夸克物理和超出標準模型的新物理研究。