近日，欧洲核子中心大型强子对撞机（LHC）的ATLAS实验组在物理学权威期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上在线发表了关于希格斯玻色子衰变至双缪子过程的重要研究成果【1】。该论文以“编辑推荐”（Editors' Suggestion）形式发表，同时被美国物理学会旗下《物理》（Physics）杂志以“Deciphering the Origin of Quark and Lepton Mass”为题作为研究亮点（Viewpoint）专门报道——仅有约0.2%的Physical Review系列论文获此殊荣【2】。

山东大学ATLAS团队的刘彦麟研究员课题组和李海峰教授课题组在该研究中发挥了关键作用。刘彦麟研究员与中国科学技术大学杨洪洮教授共同担任分析负责人，协调一支由70余位研究人员组成的国际合作团队（成员来自牛津大学、马普所、劳伦斯伯克利国家实验室等20余所单位），成功推进并完成了该项研究。李海峰教授是ATLAS实验该分析项目的发起人之一，并曾于2015年至2018年担任分析负责人。山大ATLAS团队的研究生郑路和刘皓天在分析优化与统计拟合等工作中做出了重要贡献。

图1：实验观测到的双缪子不变质量谱

2012年，希格斯玻色子的发现填补了标准模型理论的最后一块拼图。此后，对希格斯玻色子性质的深入研究成为粒子物理高能量前沿领域的核心课题之一。费米子作为物质的基本组成单元，通过汤川耦合与希格斯玻色子相互作用并获得质量。实验上，第三代费米子（陶轻子、顶夸克与底夸克）与希格斯玻色子的汤川耦合已被成功观测，测得的耦合强度与标准模型预言一致。然而，由于信号微弱且本底干扰强烈，对希格斯玻色子与第一、二代费米子耦合的测量极具挑战性。本研究关注的希格斯玻色子衰变至双缪子过程，正是探索第二代费米子耦合机制中最具前景的通道。

研究团队基于LHC在2022年至2024年间采集的13.6 TeV对撞数据及此前全部13 TeV数据，通过精细的多变量分析与统计拟合，使该过程的信号显著度提高至3.4倍标准差，为迄今最高水平。该结果标志着ATLAS实验获得希格斯玻色子与第二代费米子——缪子之间存在汤川耦合的证据，对精确检验希格斯机制及深入理解物质基本组分质量起源具有重大科学意义。

图2：实验测得的希格斯玻色子到双缪子衰变过程的信号强度

山东大学自1998年加入ATLAS合作组，是国内最早参与该国际合作的高校之一。何瑁教授带领团队在1998年-2008年间通过不懈努力研制的400台缪子探测器，建成后运行稳定、性能良好，采集的数据直接用于希格斯玻色子发现，获得了合作组的好评。近年来，团队在希格斯物理、标准模型检验、顶夸克物理等TeV能区物理前沿持续取得一系列重要研究进展。

本研究工作得到了国家自然科学基金委员会重大科学基础设施国际合作研究计划、科技部重点研发“大科学装置前沿研究”专项、山东省及山东大学的资助。        

【1】 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/gzdh-p159

【2】 https://physics.aps.org/articles/v18/190