上帝粒子衰變成 Zγ 玻色子/光子對的發現

希格斯玻色子的發現讓粒子學標準模型趨於完備，從 2012 年至今，科學家陸續觀察到一些重要衰變過程，然而還沒觀察到它們衰變成罕見的 Z 玻色子/光子對（Zγ）——直到最近。這道衰變對物理學家來說特別有意義，因為當中可能涉及大量「虛擬」粒子（可能是新軸中粒子axion a）參與。
希格斯玻色子（Higgs boson）於 2012 年由大型強子對撞機（LHC）的超環面儀器（A Toroidal LHC ApparatuS，ATLAS）和緊湊緲子線圈（Compact Muon Solenoid，CMS）發現，可以分解成光子對、W 玻色子對和 Z 玻色子對。由於它們的加入讓標準模型更完善解釋所有基本粒子間的作用，因此又被暱稱為上帝粒子。
這些年來，物理學家陸續從實驗中研究到希格斯玻色子不同的產生與衰變過程，比如衰變成底夸克（bottom quark）、與最重的粒子頂夸克耦合等，但最大問題仍在於，希格斯玻色子是否也可能與未知粒子或力相互作用，迄今為止，ATLAS 觀測到由標準模型所預測的希格斯玻色子衰變過程幾乎佔了 9 成。
其中物理學家特別在意 Z 玻色子與光子對（Zγ）的罕見衰變，最近 ATLAS 團隊使用完整的 LHC Run-2 數據集分析希格斯玻色子事件，宣布終於找到希格斯玻色子衰變到 Zγ 對。
根據標準模型，大約只有 0.15% 希格斯玻色紫衰變成 Zγ 對，速率與希格斯玻色子衰變成 2 個光子相當，不同的是如此產生的 Z 玻色子非常不穩定，幾乎一生成就立即衰減，難以直接觀察。雖然 Z 玻色子有機會再次轉換成電子對或介子對，但以這種方式衰減的 Z 玻色子不到7%，大約 10,000 個標準希格斯玻色子中只能探測到約 1 個微小預期訊號。
這些轉換極為罕見，除非涉及標準模型以外的物理學，否則在大型強子對撞機（LHC）上不會觀察到。

探索看希格斯玻色子的新方法

ATLAS和CMS的合作在CERN的大型強子對撞機上檢測希格斯玻色子的新顯現上展示了最新結果。其中包括尋找希格斯玻色子到Z玻色子（這是自然基本力之一的載體）和第二粒子的罕見轉變。觀察和研究被預測為罕見的變換，有助於增進我們對粒子物理學的理解，並且如果觀測結果與預測結果不同，也可以為新物理學指明道路。結果還包括搜索希格斯變換成“不可見”粒子的跡象，該粒子可以將光照射到潛在的暗物質粒子上。這些分析涉及2015年至2018年間記錄的近140個反毫微微穀倉數據，或約1000億個質子-質子碰撞。
ATLAS和CMS探測器永遠無法直接看到希格斯玻色子：一個短暫的粒子，它在質子-質子碰撞產生後幾乎立即轉變（或“衰減”）為較輕的粒子，而較輕的粒子則在探測器中留下明顯的信號。但是，其他標準模型過程可能會產生類似的顯現。因此，科學家必須首先確定與該特徵匹配的單個碎片，然後建立足夠的統計證據，以確認碰撞確實產生了希格斯玻色子。
當在2012年發現希格斯玻色子時，主要觀察到其轉化為Z玻色子對和光子對。這些所謂的“衰減通道”具有相對乾淨的特徵，使其更易於檢測，並且已在大型強子對撞機中觀察到。預計其他轉換很少發生，或者顯現不太清楚，因此很難發現。
ATLAS在LHCP上展示了他們搜索這種罕見過程的最新結果，其中希格斯玻色子轉化為Z玻色子和光子（γ）。如此產生的Z本身不穩定，會轉變成成對的輕子，既是電子的又是μ子，在檢測器中留下了兩個輕子和一個光子的特徵。鑑於觀察希格斯的低概率變換到Z γ與該數據量分析，ATLAS能夠排除這種可能性，在LHC產生希格斯玻色子的超過0.55％會轉化成ž γ。ATLAS合作發言人卡爾·雅各布斯（Karl Jakobs）說：“有了這種分析，我們可以證明我們對這種特徵的實驗敏感性已經接近標準模型的預測。” 發現H→Zγ 信號強度的最佳提取值定義為觀察值與預測的標準模型信號產率之比，為2.0  +1.0  -0.9。
CMS展示了首次搜索希格斯變換的結果，該變換也涉及Z玻色子，但伴有ρ（rho）或φ（phi）介子。Z玻色子再次轉換為輕子對，而第二粒子在ρ的情況下轉換為對子（ππ），在φ的情況下轉換為對對子（KK）。CMS合作發言人羅伯托·卡林（Roberto Carlin）說：「這些轉變極為罕見，除非涉及標準模型以外的物理學，否則預計不會在大型強子對撞機中觀察到。」 分析的數據允許CMS排除希格斯玻色子中約有1.9％可以轉化為Zρ，超過0.6％的希格斯玻色子可以轉化為Zφ。儘管這些限制比標準模型的預測要大得多，所謂的“暗區”包括可能構成暗物質的假想粒子，暗物質佔宇宙中普通物質質量的五倍以上。科學家認為，希格斯玻色子可以提供有關暗物質粒子性質的線索，因為標準模型的某些擴展建議希格斯玻色子可以轉變為暗物質粒子。這些粒子不會與ATLAS和CMS檢測器發生相互作用，這意味著它們對它們仍然“不可見”。這將允許他們逃避直接檢測，並在碰撞事件中表現為“能量丟失”。ATLAS在LHCP上提出了最新的上限-13％-希格斯玻色子可以轉變為不可見的粒子（稱為弱相互作用的大粒子或WIMP）的可能性，
希格斯玻色子在幫助科學家測試粒子物理學的標準模型並尋求可能超越的物理學方面繼續被證明具有無價的價值。這些只是LHCP提出的有關希格斯玻色子的許多結果中的一部分。

技術說明

當數據量不足以要求對特定過程進行明確觀察時，物理學家可以預測他們期望對該過程施加的限制。在希格斯變換的情況下，這些限制基於兩個項的乘積：質子-質子碰撞中希格斯玻色子的產生速率（產生截面）以及將其進行特定轉換為較輕的顆粒（分支分數）。
如果不存在將希格斯轉換為Z玻色子和光子（H→Zγ）的過程，ATLAS期望將其上限設置為標準模型期望值的1.7倍；合作能夠將這個值的上限設置為3.6倍，接近了標準模型預測的敏感性。CMS搜索是一個更為罕見的過程，根據標準模型的預測，每百萬希格斯變換僅發生一次，並且協作能夠將上限設定為H→Zρ和H→的大約1000倍 Zφ過程。