希格斯玻色子发现十年后CMS实验的画像gydF4y2Ba

基本粒子物理学的既定理论，通常被称为标准模型(SM)，提供了物质粒子的电磁、弱和强相互作用的完整描述，这些粒子是自旋1/2费米子，通过三种不同的介质组，这些介质组是自旋1的玻色子。(在量子力学中，自旋是基本粒子所携带的角动量的固有形式)。这些矢量玻色子是电磁(强)相互作用的无质量光子(胶子)，以及弱相互作用的重W和Z玻色子。SM已经非常成功地为迄今为止进行的基本上所有粒子物理实验提供了准确的预测。2012年，ATLAS观测到了SM中最后一个缺失的粒子——希格斯玻色子gydF4y2Ba^1克ydF4y2Ba和CMSgydF4y2Ba^{2gydF4y2Ba，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba}欧洲核子研究中心的合作。gydF4y2Ba

希格斯玻色子是对发生在宇宙早期的一种机制的预测，在大爆炸后不到一皮秒，这种机制导致电磁相互作用和弱相互作用在它们的行为中变得不同。在SM中，这种机制被称为Brout-Englert-Higgs (BEH)机制，它引入了一个复杂的标量(自旋为0)场，这个场遍布整个宇宙。它的量子表现形式被称为SM希格斯玻色子。标量场只能用空间中每一点上的一个数字来描述，这个数字在洛伦兹变换下是不变的。一个类比可以画出一个区域的地图，其中温度显示在不同的位置，模拟一个标量场。在同样的地图上，显示风速和风向的地方，将对应于一个矢量场。gydF4y2Ba

BEH机制于1964年在Brout和Englert的著作中首次提出gydF4y2Ba^4gydF4y2Ba,希格斯gydF4y2Ba^{5gydF4y2Ba，gydF4y2Ba6gydF4y2Ba}以及古拉尔尼克、哈根和基布尔gydF4y2Ba^7gydF4y2Ba．1966年，希格斯提出了该机制的进一步细节gydF4y2Ba^8gydF4y2Ba1967年由Kibble出版gydF4y2Ba^9gydF4y2Ba．1967年，温伯格gydF4y2Ba^10gydF4y2Ba和萨拉姆gydF4y2Ba^11gydF4y2Ba，延续了1961年格拉肖的工作gydF4y2Ba^12gydF4y2Ba他提出了利用BEH机制来统一电磁和弱相互作用的理论，称为电弱相互作用。这项工作的关键要素是猜想自然界具有电弱对称性，由拉格朗日理论在数学上描述，它是自发打破的，赋予W和Z玻色子质量。该模型的另一个特点是，它通过所谓的汤川相互作用，也提供了一种赋予费米子质量的机制gydF4y2Ba^{10gydF4y2Ba，gydF4y2Ba13gydF4y2Ba}．因此，与BEH场相互作用的基本粒子获得质量。影响是深远的:例如，电子变得巨大，允许原子形成，并赋予我们的宇宙观测到的复杂性。gydF4y2Ba

Salam和Weinberg进一步推测，他们提出的模型可能是可重整的(也就是说，给出有限的答案)。1971年，Hooft和Veltman说gydF4y2Ba^{14gydF4y2Ba，gydF4y2Ba15gydF4y2Ba}展示了这个理论是如何重新规范化的。这一进展为格拉斯哥-萨拉姆-温伯格模型奠定了坚实的基础，值得进行认真的实验审查。gydF4y2Ba

1983年，欧洲核子研究中心的UA1和UA2实验发现了W和Z玻色子gydF4y2Ba^{16gydF4y2Ba，gydF4y2Ba17gydF4y2Ba，gydF4y2Ba18gydF4y2Ba，gydF4y2Ba19gydF4y2Ba}在美国，对希格斯玻色子的寻找成为粒子物理学的核心推力，也是欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)的重要动力。gydF4y2Ba^20.gydF4y2Ba以及ATLAS和CMS实验。gydF4y2Ba

寻找希格斯玻色子是一项艰巨的任务。这是它的大质量的结果，这使它超出了以前的电子-正电子对撞机，如大型电子-正电子对撞机(LEP)gydF4y2Ba^21gydF4y2Ba在欧洲核子研究中心(CERN)，以及低横截面模式加上最终发现的质量范围内不利的衰变通道，这使得在以前的强子对撞机(如Tevatron)中观测到它具有挑战性gydF4y2Ba^22gydF4y2Ba费米实验室。在SM中，希格斯玻色子是一种基本的标量粒子，一种以前从未被观测到的类型。基本标量粒子受到量子修正的影响，这种修正可以大到超出SM (BSM)的物理尺度。由于这个尺度可以比电弱尺度(约100 GeV)大许多个数量级，希格斯玻色子的测量质量小得令人费解。如何解决这个难题是未来工作和加速器的动力之一。gydF4y2Ba

BEH机制不能预测希格斯玻色子的质量，但一旦质量固定，它的所有其他性质都被精确定义。希格斯玻色子一旦产生，就会直接衰变为允许的最重的基本粒子。然而，衰变到无质量粒子也可以通过量子环发生。在大型强子对撞机中，希格斯玻色子的产生主要是通过虚拟顶夸克环进行的胶子-胶子聚变(ggH)。实粒子的质量定义为gydF4y2Ba米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba=gydF4y2BaEgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba−gydF4y2BapgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba,在那里gydF4y2BaEgydF4y2Ba是能量和gydF4y2BapgydF4y2Ba是质点的动量向量。对于虚粒子，这个方程是无效的，因此虚粒子没有质量的定义值。虚粒子用星号表示，例如W*表示虚W玻色子。从今以后，实粒子和虚粒子之间的区别将不复存在，除非另有说明。在质量约为125 GeV时，希格斯玻色子主要衰变为b夸克及其反夸克。从此，粒子和它的反粒子之间的区别就消失了。gydF4y2Ba

通过对希格斯玻色子衰变产物及其产生的相关产物的精确观察和测量，实验能够推断出它的性质，包括其自相互作用的强度(gydF4y2BaλgydF4y2Ba）gydF4y2Ba^23gydF4y2Ba并可能衰变为BSM粒子。gydF4y2Ba

本文介绍了单个希格斯玻色子产生和衰变的结果组合，以及它的对产生，使用对应于集成光度的数据集gydF4y2Ba\(({\mathcal L})\)gydF4y2Ba高达138 fbgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}(ref。gydF4y2Ba^24gydF4y2Ba)，由CMS于2016-2018年收集。积分光度为1fbgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}相当于大约100万亿个质子-质子碰撞，质心能量为13 TeV。gydF4y2Ba

此外，对对应的假设数据样本进行了一些预测gydF4y2Ba\ ({\ mathcal {L}} = 3000 \, {{\ rm {fb}}} ^ {1} \)gydF4y2Ba，记录于gydF4y2Ba\ \√{年代}= 14 \,rm {TeV}} {\ \)gydF4y2Ba预计将在下一个十年结束时，在LHC加速器(HL-LHC)的高光度操作期间积累。gydF4y2Ba

CMS设备gydF4y2Ba^25gydF4y2Ba，如图扩展数据图所示。gydF4y2Ba1克ydF4y2Ba，是一种多用途，几乎密封的探测器，设计用于触发gydF4y2Ba^{26gydF4y2Ba，gydF4y2Ba27gydF4y2Ba}并识别电子(e)， μ子(μ)，光子(γ)和(带电和中性)强子gydF4y2Ba^{28gydF4y2Ba，gydF4y2Ba29gydF4y2Ba，gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba}．触发器是选择感兴趣事件的过滤器，其中“事件”指的是在探测器中观察到的光束交叉中所选择的相互作用的结果。全局事件重构算法gydF4y2Ba^31gydF4y2Ba结合全硅内部跟踪器、晶体电磁量热计、黄铜和闪烁子强子量热计提供的信息，在3.8 t超导螺线管内运行，与电磁螺线管磁通-返回yoke中嵌入的气体电离μ子探测器的数据，构建电子、μ子、τ (τ)轻子、光子、强子射流、缺失横向动量gydF4y2Ba\ ((p {} _ {{\ rm {T}}} ^ {{\ rm{小姐}}})\)gydF4y2Ba和其他物理对象gydF4y2Ba^{32gydF4y2Ba，gydF4y2Ba33gydF4y2Ba，gydF4y2Ba34gydF4y2Ba}．由夸克或胶子分裂而产生的准直粒子流称为“喷流”。通过专门的重建算法，可以识别这些射流，并测量它们的能量gydF4y2Ba^{31gydF4y2Ba，gydF4y2Ba33gydF4y2Ba}．缺失的横向动量矢量是相对于入射质子束测量的，它被计算为一个事件中所有粒子的横向动量的负矢量和。gydF4y2Ba

自2012年发现希格斯玻色子以来，CMS实验中已经引入了几项改进(gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

截至2012年7月，CMS已收集到相应的数据gydF4y2Ba\ ({\ mathcal {L}} = 5.1 \, {{\ rm {fb}}} ^ {1} \)gydF4y2Ba质子-质子(pp)碰撞质心能量gydF4y2Ba\ \√{年代}= 7 \,rm {TeV}} {\ \)gydF4y2Ba(2011年)和gydF4y2Ba\ ({\ mathcal {L}} = 5.3 \, {{\ rm {fb}}} ^ {1} \)gydF4y2Ba在gydF4y2Ba\ \√{年代}= 8 \,rm {TeV}} {\ \)gydF4y2Ba(2012年上半年)，希格斯玻色子由此被发现。截至2012年底(Run 1)， CMS已收集到对应的数据gydF4y2Ba\ ({\ mathcal {L}} = 19.7 \, {{\ rm {fb}}} ^ {1} \)gydF4y2Ba在gydF4y2Ba\ \√{年代}= 8 \,rm {TeV}} {\ \)gydF4y2Ba(ref。gydF4y2Ba^35gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

在LHC Run 2(2015-2018)中，加速器在gydF4y2Ba\ \√{年代}= 13 \,rm {TeV}} {\ \)gydF4y2Ba．在这个更大的能量下，希格斯玻色子产生的横截面增加了2.2-4.0倍，这取决于产生模式gydF4y2Ba^{36gydF4y2Ba，gydF4y2Ba37gydF4y2Ba，gydF4y2Ba38gydF4y2Ba，gydF4y2Ba39gydF4y2Ba}．本文物理分析基于2016-2018年数据，对应gydF4y2Ba\({\mathcal L} \)gydF4y2Ba可达138 fbgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}(额外的大约2 fbgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}2015年的记录不在此组合中使用)。这不仅减少了统计上的不确定性，还减少了系统上的不确定性，以及对量热计的更精确校准和跟踪探测器的校准。在第2次运行中，大约产生了800万个希格斯玻色子。可以研究更多的最终状态，因为可以根据产生模式和衰减通道以及运动学性质来分离事件;差异分布是可以测量的。此外，还采用了改进的分析方法。gydF4y2Ba

为了能够与更精确的实验结果进行比较，已经进行了理论计算，并在精度上有了相应的提高gydF4y2Ba^{36gydF4y2Ba，gydF4y2Ba37gydF4y2Ba，gydF4y2Ba38gydF4y2Ba，gydF4y2Ba39gydF4y2Ba}，涉及微扰理论的高阶。gydF4y2Ba

统计程序是为寻找和发现希格斯玻色子而开发的，从那时起就没有太大变化。它是基于从各种输入渠道建立一个组合的可能性(“统计分析”在gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba)．参数估计和极限设置是使用轮廓似然技术与渐近逼近gydF4y2Ba^40gydF4y2Ba，考虑到各渠道系统不确定性与数据采集年限的充分相关性。组合中包含的不同通道关联了与相同底层效应相关的有害参数，如理论预测中的不确定性或最终状态对象的能量尺度不确定性。包含信号强度(gydF4y2BaμgydF4y2Ba)组合的总数为gydF4y2Ba\ ({\ mathscr {O}} ({10} ^ {4}) \)gydF4y2Ba讨厌的参数。下一节中所介绍的各个分析的参考资料都包含用于组合所使用的几种类别的统计程序的更多细节，这些类别是根据各种标准创建的，例如信号与背景比、质量分辨率和物理对象的多样性。gydF4y2Ba

希格斯玻色子的肖像是由它的产生模式(通过横截面)和它的衰变通道(通过分支分数)定义的。为CMS测量的质量值gydF4y2Ba米gydF4y2Ba_HgydF4y2Ba= 125.38±0.14 GeV(参考。gydF4y2Ba^41gydF4y2Ba)，这些数据载于扩展数据表内gydF4y2Ba1克ydF4y2Ba^39gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

生产gydF4y2Ba

希格斯玻色子的产生速率由瞬时光度的乘积给出，以厘米为单位gydF4y2Ba^{−2gydF4y2Ba}年代gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}，和横截面，以厘米为单位gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba．为gydF4y2Ba米gydF4y2Ba_HgydF4y2Ba= 125.38 GeV, SM希格斯玻色子产生的总横截面gydF4y2Ba\ \√{年代}= 13 \,rm {TeV}} {\ \)gydF4y2Ba为54±2.6 pb(参考文献;gydF4y2Ba^39gydF4y2Ba)．(1 pb的横截面相当于10 pb的面积gydF4y2Ba^{−36gydF4y2Ba}厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba)．这导致在瞬时光度为2 × 10的情况下，每秒钟产生一个希格斯玻色子gydF4y2Ba^34gydF4y2Ba厘米gydF4y2Ba^{−2gydF4y2Ba}年代gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}．SM的主要生产模式是ggH，其中一对胶子，每个入射质子一个，主要通过虚拟的顶夸克量子环融合。如图所示。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba占总横截面的87%。下一个最重要的生产方式是矢量玻色子聚变(VBF)如图所示。gydF4y2Ba1 bgydF4y2Ba其中，每个质子中的一个夸克辐射出一个虚拟矢量玻色子(W或Z)，然后融合在一起形成希格斯玻色子。其他具有较小截面的工艺有:与矢量玻色子或图中所示的“希格斯特拉辐射”(VH)相关联的生产。gydF4y2Ba1 cgydF4y2Ba，以及与顶夸克(tH和ttH)或底夸克(bbH)相关的产生，如图所示。gydF4y2Ba1 d-fgydF4y2Ba．由于灵敏度有限，bbH模还没有在SM希格斯玻色子的背景下进行研究。gydF4y2Ba

事件根据每种生产机制特有的签名进行分类。例如，如果有两个高横向动量(gydF4y2BapgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba)喷流，或如果有额外的带电轻子(gydF4y2Ba\({\魔法}\)gydF4y2Ba)和/或gydF4y2Ba\ ({p} _ {{\ rm {T}}} ^ {{\ rm{小姐}}}\)gydF4y2Ba如果有被确定为来自b夸克的喷流，或者是由ghh产生的喷流，则可以是ttH-和th -产生的喷流。(顶夸克主要衰变为W玻色子和b夸克喷流)。gydF4y2Ba

衰变gydF4y2Ba

在SM中，粒子质量产生于规范对称的自发打破，在矢量玻色子的情况下，通过规范耦合到希格斯场，在费米子的情况下，通过汤川耦合。SM希格斯玻色子与矢量玻色子耦合，其振幅与规范玻色子质量的平方成正比gydF4y2Ba\ ({m} _ {{\ rm {V}}} ^ {2} \)gydF4y2Ba，以及振幅与费米子质量成正比的费米子gydF4y2Ba米gydF4y2Ba_fgydF4y2Ba．因此，例如，第三代夸克和轻子的耦合比第二代夸克和轻子的耦合更强。许多希格斯玻色子衰变为SM粒子的观测及其分支分数的测量是对该理论有效性的关键检验。任何与预测的较大偏差都可能表明BSM物理的存在。gydF4y2Ba

希格斯玻色子一旦产生，就会迅速衰变为一对费米子或一对玻色子。在SM中，它的寿命是gydF4y2Ba\({\τ}_ {{\ rm {H}}}{10} \大约1.6 \倍^ {-22}\,rm{年代}}{\ \)gydF4y2Ba，其逆，即自然宽度，为gydF4y2Ba(\ \ varGamma = \百巴/{\τ}_ {{\ rm {H}}} = 4.14 \ \ 0.02 pm, rm{兆电子伏}}{\ \)gydF4y2Ba(ref。gydF4y2Ba^39gydF4y2Ba),gydF4y2BaħgydF4y2Ba是简化普朗克常数。自然宽度是所有部分宽度的和，部分宽度与总宽度的比率称为分支分数，表示该衰减通道发生的概率。希格斯玻色子不直接与无质量粒子(例如胶子或光子)耦合，但可以通过量子环(例如，图。gydF4y2Ba1, i, jgydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

根据设计，针对不同最终状态的分析之间的事件选择不会重叠。在最终状态相似的地方，已经检查了重叠，发现可以忽略不计。gydF4y2Ba

关于新组合中包含的分析以及改进的详细信息，以及用于选择分析事件的在线和离线标准，可以在gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba、扩展数据表gydF4y2Ba2gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba，以及相关的引用。在线重构是在数据采集过程中实时进行的。稍后对存储的数据执行离线重构。扩展数据图显示了各个衰变通道中终态粒子不变质量的背景减去分布。gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba4gydF4y2Ba．在此组合中使用的通道如下所示。gydF4y2Ba

玻色子衰变通道:H→γγ(图;gydF4y2Ba1 i, jgydF4y2Ba）gydF4y2Ba^42gydF4y2Ba；h→zz→4gydF4y2Ba\({\魔法}\)gydF4y2Ba(无花果。gydF4y2Ba1克gydF4y2Ba）gydF4y2Ba^43gydF4y2Ba；h→ww→gydF4y2Ba\({\魔法}\)gydF4y2BaνgydF4y2Ba\({\魔法}\)gydF4y2Bav(图。gydF4y2Ba1克gydF4y2Ba）gydF4y2Ba^44gydF4y2Ba， H→Zγ(图;gydF4y2Ba1 i, jgydF4y2Ba）gydF4y2Ba^45gydF4y2Ba；费米子衰变通道:H→ττ，第三代费米子;gydF4y2Ba1 hgydF4y2Ba）gydF4y2Ba^46gydF4y2Ba， H→bb，第三代费米子(图;gydF4y2Ba1 hgydF4y2Ba）gydF4y2Ba^{47gydF4y2Ba，gydF4y2Ba48gydF4y2Ba，gydF4y2Ba49gydF4y2Ba，gydF4y2Ba50gydF4y2Ba，gydF4y2Ba51gydF4y2Ba}， H→μμ，第二代费米子(图;gydF4y2Ba1 hgydF4y2Ba）gydF4y2Ba^52gydF4y2Ba；带多轻子的ttH和tH(图。gydF4y2Ba1 d-fgydF4y2Ba）gydF4y2Ba^53gydF4y2Ba；希格斯玻色子的衰变超过了SMgydF4y2Ba^35gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

对希格斯玻色子产生的测量可以探测其自相互作用gydF4y2BaλgydF4y2Ba．对生产方式如图所示。gydF4y2Ba1 k ogydF4y2Ba．gydF4y2Ba

在ggH模式中，有两个主要的贡献:在第一个(图。gydF4y2Ba1 lgydF4y2Ba)，两个希格斯玻色子从一个顶部或底部夸克环中产生;第二种(图;gydF4y2Ba1 kgydF4y2Ba)，一个虚拟希格斯玻色子H*从顶部或底部夸克环中出现，然后衰变为两个希格斯玻色子gydF4y2Ba\(({\rm{gg}}\到{{\rm{H}}}^{*}\到{\rm{HH}}).\)gydF4y2Ba后者是希格斯玻色子自相互作用的直接表现，明确的建立将阐明BEH场惊人的不同寻常的潜力。gydF4y2Ba

在VBF模式下，有三个子过程可以导致产生一对希格斯玻色子:(1)通过一个虚拟希格斯玻色子(图2)。gydF4y2Ba1米gydF4y2Ba）;(2)通过四点相互作用:VV→HH(图;gydF4y2Ba1 ngydF4y2Ba）;(3)通过矢量玻色子的交换(图。gydF4y2Ba1阿gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

通过ggH产生希格斯玻色子对的过程的散射振幅(图。gydF4y2Ba1 k, lgydF4y2Ba)大小相似，但符号相反，具有破坏性的干扰。这使得希格斯玻色子对的整体生成速率很小，使其实验观测具有挑战性。计算了SM希格斯玻色子对产生截面gydF4y2Ba米gydF4y2Ba_HgydF4y2Ba= 125 GeVgydF4y2Ba\ ({32.76} _ {-6.83} ^ {+ 1.95} \, rm {fb}} {\ \)gydF4y2Ba(参考文献。gydF4y2Ba^{54gydF4y2Ba，gydF4y2Ba55gydF4y2Ba，gydF4y2Ba56gydF4y2Ba})，比单个希格斯玻色子横截面小三个数量级。gydF4y2Ba

寻找希格斯玻色子对的产生是通过结合从不同最终态重建的希格斯玻色子候选来进行的gydF4y2Ba^{57gydF4y2Ba，gydF4y2Ba58gydF4y2Ba，gydF4y2Ba59gydF4y2Ba，gydF4y2Ba60gydF4y2Ba，gydF4y2Ba61gydF4y2Ba，gydF4y2Ba62gydF4y2Ba}．所分析的所有最终状态都被定义为互斥的，以便它们可以组合为统计上独立的观察结果。gydF4y2Ba

在希格斯玻色子被发现的时候gydF4y2Ba^{2gydF4y2Ba，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba}， CMS数据的组合给出了5.0标准偏差(s.d.)的观察(obs.)统计显著性和5.8 s.d.的预期(exp.)显著性。单独来看，H→γγ通道和H→ZZ→4通道最为敏感gydF4y2Ba\({\魔法}\)gydF4y2Ba，产生4.1 s.d。奥林匹克广播服务公司。(2.8 s。dexp.) and 3.2 s.d. obs. (3.8 s.d. exp.), respectively.

使用所有Run 1数据，可以分别观察显着性为6.5 s的玻色子衰变通道。d代表H→ZZ→4gydF4y2Ba\({\魔法}\)gydF4y2Ba， 5.6 s.d。对于H→γγ， 4.7 s.d。H→WW和3.8 s.d。为费米子衰变通道H→τ (ref。gydF4y2Ba^35gydF4y2Ba)．早些时候，希格斯玻色子衰变为费米子的第一个结果发表在参考文献。gydF4y2Ba^63gydF4y2Ba，显著性为3.8 s。dby combining the H → ττ and H → bb decay modes. The mass was measured to a precision of about 0.2% (ref.^35gydF4y2Ba)．利用玻色子衰变通道中轻子的角度分布，自旋(gydF4y2BaJgydF4y2Ba)和奇偶校验(gydF4y2BaPgydF4y2Ba，一个奇偶变换，有效地将一个现象变成它的镜像)也被发现与SM预测(gydF4y2BaJgydF4y2Ba^PgydF4y2Ba= 0gydF4y2Ba^+gydF4y2Ba)，并在99.9%置信水平(CL)下排除了大量的自旋宇称假设。gydF4y2Ba^{64gydF4y2Ba，gydF4y2Ba65gydF4y2Ba}．总横截面，结合所有不同的衰变通道，测量与SM一致，不确定度为14%(参考文献)。gydF4y2Ba^35gydF4y2Ba)．每种VBF、VH和ttH生产模式都在3 s.d的水平上进行测量。(ref。gydF4y2Ba^35gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

利用Run 2的数据，CMS观测到希格斯玻色子衰变为一对τ轻子，显著性为5.9 s.d。(ref。gydF4y2Ba^66gydF4y2Ba)，一对显著性为5.6 s.d的底夸克。(ref。gydF4y2Ba^48gydF4y2Ba)和ttH生产模式在5.2 s.d。(ref。gydF4y2Ba^67gydF4y2Ba)．希格斯玻色子也被发现衰变为μ子，其意义为3 s.d。(ref。gydF4y2Ba^52gydF4y2Ba)．用H→γγ和衰变通道测得希格斯玻色子的质量为125.38±0.14 GeVgydF4y2Ba\({\rm{H}}\到{\rm{ZZ}}\到4{\ell}\)gydF4y2Ba(ref。gydF4y2Ba^41gydF4y2Ba)．希格斯玻色子的自然宽度已经被提取出来，并被发现是gydF4y2Ba\ ({\ varGamma} _ {{\ rm {H}}} = {3.2} _ {-1.7} ^ {+ 2.4} \, rm{兆电子伏}}{\ \)gydF4y2Ba利用非质量壳层和质量壳层产生希格斯玻色子gydF4y2Ba^68gydF4y2Ba．有质量壳层指的是具有物理质量的粒子，无质量壳层指的是虚粒子。gydF4y2Ba

的gydF4y2BaμgydF4y2Ba信号强度框架gydF4y2Ba

观测到的信号产率和SM预期之间的一致性可以通过引入信号强度参数的模型拟合数据来量化。这些都是通用标签gydF4y2BaμgydF4y2Ba，并在不改变分布形状的情况下，将观测到的产量与SM预测的产量进行比较。的具体含义gydF4y2BaμgydF4y2Ba根据分析的不同而不同。对于给定的初始值(gydF4y2Ba我gydF4y2Ba)及最后(gydF4y2BafgydF4y2Ba),gydF4y2Ba我gydF4y2Ba→h→gydF4y2BafgydF4y2Ba，各生产渠道的信号强度，gydF4y2BaμgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba，和衰变模式，gydF4y2BaμgydF4y2Ba^fgydF4y2Ba，定义为gydF4y2BaμgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba=gydF4y2BaσgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba／（gydF4y2BaσgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba）gydF4y2Ba_SMgydF4y2Ba而且gydF4y2Baf \({\μ}^ {}= {{\ mathcal B}} ^ {f} / {({{\ mathcal B}} ^ {f})} _ {{\ rm {SM}}} \)gydF4y2Ba,在那里gydF4y2BaσgydF4y2Ba生产截面和gydF4y2Ba\({\mathcal B} \)gydF4y2Ba是分支分数。与SM的期望完全一致将会带来一切gydF4y2BaμgydF4y2Ba等于1。gydF4y2Ba

兼容性的第一个测试是通过将来自生产模式和衰减通道的所有数据与一个共同的信号强度参数拟合来进行的，gydF4y2BaμgydF4y2Ba．在发现的时候，共同gydF4y2BaμgydF4y2Ba结果为0.87±0.23。所有Run 2数据的新组合产生gydF4y2BaμgydF4y2Ba= 1.002±0.057，与SM预期完全一致。与发现时相比，新测量的不确定度对应于精度提高了4.5倍。目前信号预测中的理论不确定度、实验统计不确定度和系统不确定度的贡献水平相当，分别为0.036、0.029和0.033。gydF4y2Ba

放宽一般信号强度参数的假设，并引入不同的gydF4y2BaμgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba而且gydF4y2BaμgydF4y2Ba^fgydF4y2Ba，我们的测量结果如图所示。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba．生产模式ggH、VBF、WH、ZH和ttH的显著性均为5 s.d。或更大。gydF4y2Ba

的gydF4y2BaκgydF4y2Ba耦合修饰符的框架gydF4y2Ba

如果产生模式和衰变通道受到类似的相互作用控制，BSM物理将以相关的方式影响它们。希格斯玻色子与W玻色子和顶夸克之间相互作用的任何修改，不仅会影响H→WW(图2)。gydF4y2Ba1克gydF4y2Ba)或H→γγ(图;gydF4y2Ba1 i, jgydF4y2Ba)衰减率，以及ggH的生产截面(图。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)， WH(图;gydF4y2Ba1 cgydF4y2Ba)和VBF(图。gydF4y2Ba1 bgydF4y2Ba)模式。为了探究这些与SM预测的偏差，本文gydF4y2BaκgydF4y2Ba框架gydF4y2Ba^38gydF4y2Ba使用。数量，如gydF4y2BaσgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba，gydF4y2BaΓgydF4y2Ba^fgydF4y2Ba而且gydF4y2BaΓgydF4y2Ba_HgydF4y2Ba，由相应的SM预测计算，按gydF4y2Ba\ ({\ kappa} _{我}^ {2}\)gydF4y2Ba，如图中顶点标签所示。gydF4y2Ba1克ydF4y2Ba．以H→γγ衰变为例，通过图的循环过程进行。gydF4y2Ba1 i, jgydF4y2Ba，分支分数成正比gydF4y2Ba\({\kappa}_{{\rm{\gamma}}}^{2}\)gydF4y2Ba或gydF4y2Ba\ ({(1.26 {\ kappa} _ {{\ rm {W}}} -0.26 {\ kappa} _ {{\ rm {t}}})} ^ {2} \)gydF4y2Ba．在SM中，一切gydF4y2BaκgydF4y2Ba值等于1。gydF4y2Ba

希格斯玻色子耦合的首次拟合引入了两个参数，gydF4y2BaκgydF4y2Ba_VgydF4y2Ba而且gydF4y2BaκgydF4y2Ba_fgydF4y2Ba将希格斯玻色子耦合分别扩展到大质量规范玻色子和费米子。由于发现时可用的数据集有限，这样的拟合首次表明了两种耦合的存在。与现有数据的灵敏度有了很大的提高，两个耦合修正器的测量结果与SM的预测一致，不确定度在10%以内，如图所示。gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba(左)。gydF4y2Ba

执行第二次拟合以提取耦合修饰符gydF4y2BaκgydF4y2Ba对于重规玻色子(gydF4y2BaκgydF4y2Ba_WgydF4y2Ba而且gydF4y2BaκgydF4y2Ba_ZgydF4y2Ba)和本分析中所探讨的费米子(gydF4y2BaκgydF4y2Ba_tgydF4y2Ba，gydF4y2BaκgydF4y2Ba_bgydF4y2Ba，gydF4y2BaκgydF4y2Ba_τgydF4y2Ba而且gydF4y2BaκgydF4y2Ba_μgydF4y2Ba)．对于SM中通过中间虚粒子环发生的过程的预测，例如，通过ggH产生希格斯玻色子，或希格斯玻色子衰变为一对胶子、光子或Zγ，都是根据gydF4y2BaκgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba以上。结果如图所示。gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba(右)，作为被探测粒子质量的函数。与BEH机制的预测在三个质量数量级上的显著一致，是对基础物理学有效性的有力测试。统计不确定性和系统不确定性对所有测量都有相同程度的影响，除了gydF4y2BaκgydF4y2Ba_μgydF4y2Ba，这个问题仍然受到统计不确定性的影响。gydF4y2Ba

在有新粒子的SM扩展中，环诱导过程可能得到额外的贡献。对于希格斯玻色子耦合偏差的更普遍的拟合可以通过引入额外的希格斯玻色子与胶子的有效耦合修饰符来定义(gydF4y2BaκgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba)、光子(gydF4y2BaκgydF4y2Ba_γgydF4y2Ba)和Zγ (gydF4y2BaκgydF4y2Ba_ZγgydF4y2Ba)．这种拟合的结果如图所示。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba(左)。偶联修饰符在10%的不确定水平上探测，除了gydF4y2BaκgydF4y2Ba_bgydF4y2Ba而且gydF4y2BaκgydF4y2Ba_μgydF4y2Ba(约20%)及gydF4y2BaκgydF4y2Ba_ZγgydF4y2Ba(约40%)，所有测量值都与SM的预期相符，在1.5 s.d以内。与发现数据集相比，这些测量结果对应的精度提高了大约5倍。数字gydF4y2Ba4gydF4y2Ba(右)和扩展数据图。gydF4y2Ba8gydF4y2Ba(左)说明了几个的演变gydF4y2BaκgydF4y2Ba使用数据集的测量及其不确定度:在发现时(2012年7月)gydF4y2Ba^{2gydF4y2Ba，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba}；完整版第一部(2012年底)gydF4y2Ba^35gydF4y2Ba；对于本文给出的结果;并有望在HL-LHC运行结束时累积gydF4y2Ba^69gydF4y2Ba，对应于gydF4y2Ba\ ({\ mathcal {L}} = 3000 \, {{\ rm {fb}}} ^ {1} \)gydF4y2Ba．统计上的不确定性已按gydF4y2Ba\(1/\sqrt{{\mathcal L}}\)gydF4y2Ba，实验系统的gydF4y2Ba\(1/\sqrt{{\mathcal L}}\)gydF4y2Ba在可能的情况下，或固定在ref中建议的值。gydF4y2Ba^69gydF4y2Ba，而理论不确定性已减半。gydF4y2Ba

预计HL-LHC运行后将有相当大的改善。由于灵敏度不高，前两个数据集的H→μμ测量值不可用。几种信号强度测量的演变gydF4y2BaμgydF4y2Ba如图扩展数据图所示。gydF4y2Ba7gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

如果存在质量小于gydF4y2Ba米gydF4y2Ba_HgydF4y2Ba，其他的衰变通道可能是开放的。这种衰变的例子可能是变成新的中性长寿命粒子或变成暗物质粒子，都不会在CMS探测器上留下痕迹。我们称之为“看不见的”希格斯玻色子衰变，这可以从大型粒子的存在中推断出来gydF4y2Ba\ ({p} _ {{\ rm {T}}} ^ {{\ rm{小姐}}}\)gydF4y2Ba沿着希格斯玻色子动量的方向。这些事件是根据伴随希格斯玻色子的其他粒子选择的。对这种衰变的专门搜索gydF4y2Ba^{70gydF4y2Ba，gydF4y2Ba71gydF4y2Ba，gydF4y2Ba72gydF4y2Ba}产生了gydF4y2Ba\({\mathcal B}}_{{\rm{Inv}}。} < 0.16\)gydF4y2Ba95% CL，其中gydF4y2Ba\({{\mathcal B}}_{{\rm{Inv}}.}\)gydF4y2Ba是分支分数到看不见的衰变。gydF4y2Ba

SM中产生希格斯玻色子对的横截面非常小，因此到目前为止没有被LHC探测到。因此，搜索结果表示为生产截面的上限。数字gydF4y2Ba5gydF4y2Ba(左)显示了在使用不同最终态及其组合的搜索中，希格斯玻色子对产生的预期和观测极限，表示为与SM期望的比值。利用目前的数据集，结合目前研究的所有模式和通道的数据，发现希格斯玻色子对产生截面在95% CL时小于SM期望的3.4倍。数字gydF4y2Ba5gydF4y2Ba(右)显示了三种最敏感模式的极限演化和总体组合:使用早期LHC Run 2数据的第一组综合测量(35.9 fb . 2)gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}）gydF4y2Ba^73gydF4y2Ba，目前的测量使用完整的LHC Run 2数据(138 fbgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})和HL-LHC的预测(3,000 fbgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}）gydF4y2Ba^69gydF4y2Ba．HL-LHC的预测也表示为极限，假设没有希格斯玻色子对的产生。组合极限预期低于单位的事实表明，灵敏度足以建立SM HH生产的存在。gydF4y2Ba

数字gydF4y2Ba6gydF4y2Ba给出了希格斯玻色子自相互作用耦合修正量对HH产生截面的预期和观测实验极限gydF4y2BaκgydF4y2Ba_λgydF4y2Ba四次VVHH耦合修饰器gydF4y2BaκgydF4y2Ba_{2 vgydF4y2Ba}．黑色实线以上的横截面值在95% CL时被实验排除。的函数，红线表示预测的截面gydF4y2BaκgydF4y2Ba_λgydF4y2Ba或gydF4y2BaκgydF4y2Ba_{2 vgydF4y2Ba}，在SM值(gydF4y2BaκgydF4y2Ba= 1)由于贡献产生振幅的破坏干扰，如“希格斯玻色子对产生”中强调的那样。希格斯玻色子对产生截面的实验极限(黑线)也显示出对的假设值的强烈依赖gydF4y2BaκgydF4y2Ba．这是因为不同子过程之间的干扰，除了改变预期的横截面外，还改变了两个希格斯玻色子的微分运动学性质，这反过来又强烈地影响了探测信号事件的效率。利用现有数据集，我们可以在95% CL处确定希格斯玻色子的自相互作用耦合修正量gydF4y2BaκgydF4y2Ba_λgydF4y2Ba在−1.24到6.49的范围内，而四分之一gydF4y2BaκgydF4y2Ba_{2 vgydF4y2Ba}耦合修正量在0.67到1.38之间。数字gydF4y2Ba6gydF4y2Ba(右)说明了这一点gydF4y2BaκgydF4y2Ba_{2 vgydF4y2Ba}排除= 0，显著性为6.6 s.d。，e年代t一个bl我年代h我ngtheexistence of the quartic coupling VVHH depicted in Fig.1 ngydF4y2Ba．gydF4y2Ba

2012年希格斯玻色子的发现，完成了基本粒子物理学SM的粒子内容，这是一种详细解释可见物质及其相互作用的理论。SM的完成跨越了60年的理论和实验工作。在发现希格斯玻色子之后的十年里，在描绘希格斯玻色子更清晰的肖像方面取得了巨大进展。gydF4y2Ba

在这篇论文中，CMS合作报告了关于希格斯玻色子属性的最新结果组合，基于对应于一个gydF4y2Ba\({\mathcal L} \)gydF4y2Ba可达138 fbgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}，记录在13 TeV。它的许多性质已确定精度优于10%。到目前为止所做的所有测量都被发现与SM的预期一致。具体地说，总体信号强度参数已被测量为gydF4y2BaμgydF4y2Ba= 1.002±0.057。研究表明，希格斯玻色子与底夸克、轻子和μ子直接耦合，这些在发现希格斯玻色子时还没有被观察到，并证明它确实是一种标量粒子。CMS实验正在接近探测希格斯玻色子耦合粲夸克所必需的灵敏度gydF4y2Ba^74gydF4y2Ba．的观察(预期)95% CL值gydF4y2BaκgydF4y2Ba_cgydF4y2Ba被发现是gydF4y2Ba\(1.1 < |{\kappa}_{{\rm{c}} | < 5.5\)gydF4y2Ba（gydF4y2Ba\(| {\kappa}_{{\rm{c}} | < 3.40\)gydF4y2Ba)，是迄今为止最严格的结果。此外，最近在希格斯玻色子对产生的研究中取得的进展允许对希格斯玻色子自相互作用强度设置严格的约束，并对希格斯玻色子对产生的横截面设置限制，不超过预期SM值的两倍。gydF4y2Ba

许多证据表明SM是一个更全面理论的低能近似值。关于自发对称性破缺的机制，出现了几个难题:所谓的自然性，这是一个与希格斯玻色子质量接近电弱尺度有关的技术问题;在宇宙学方面，SM的真空状态的亚稳态和早期宇宙的推测膨胀期;电弱相变的动力学及其与我们宇宙的物质-反物质不对称性的联系。这些问题促使人们试图对希格斯玻色子的物理学有更深入的了解。过去十年所取得的令人印象深刻的进展预计将持续到下一个十年。目前的数据集预计到2020年将扩大一倍，从而能够建立罕见的衰变通道，如H→μμ和H→Zγ。高亮度大型强子对撞机的运行预计将在未来十年进行，并将产生比最初预期多十倍的数据。这将允许ATLAS和CMS实验建立SM希格斯玻色子对的产生，其意义为4 s.d。以及希格斯玻色子与魅力夸克的耦合，以及寻找任何奇异的衰变。实验技术和理论计算的改进也将继续下去。 The CMS experiment is entering the era of precision Higgs physics that will shed light on BSM physics.

LHC项目和希格斯玻色子gydF4y2Ba

大型强子对撞机及其两个通用实验ATLAS和CMS的主要目标是:(1)阐明电弱对称破缺的机制，并找到相关的粒子，在粒子物理学的SM中就是希格斯玻色子gydF4y2Ba^{4gydF4y2Ba，gydF4y2Ba5gydF4y2Ba，gydF4y2Ba6gydF4y2Ba}；(2) BSM物理搜索。gydF4y2Ba

研究图中广泛过程的必要性。gydF4y2Ba1克ydF4y2Ba很大程度上推动了ATLAS和CMS实验的设计。扩展数据表显示了质量为125.38 GeV的SM希格斯玻色子的产生截面和衰变分支分数gydF4y2Ba1克ydF4y2Ba．gydF4y2Ba

大型强子对撞机gydF4y2Ba^20.gydF4y2Ba其设计目的是利用超导射频腔中产生的强电场将质子加速到高达7 TeV的能量，并在非常高真空的管中由强(8.3 T)超导偶极磁体引导其绕圆形轨道运行。反向旋转的LHC光束被组织在大约2800束中，其中包括10多个束gydF4y2Ba^11gydF4y2Ba每束质子，间隔25 ns，束交叉速率约为32 MHz。在四个大型强子对撞机实验的中心，两束质子发生碰撞。在运行2,pp中，相互作用速率达到2 GHz。在每束交叉中都有多对质子相互作用，平均数量从2012年的21对到2018年的32对。这些叠加在触发的交互作用上，并被标记为“堆积”。gydF4y2Ba

CMS实验gydF4y2Ba

设计标准和SM希格斯玻色子gydF4y2Ba

在20世纪90年代早期，在紧凑μ子螺线管(CMS)实验的设计阶段，相当多的重点放在了高能电子、光子和μ子的识别和测量上，因为这些粒子预计将在寻找SM希格斯玻色子和寻找BSM物理学中发挥重要作用。gydF4y2Ba

由于高亮度强子对撞机产生高能μ子的速率非常大，因此利用μ子在线选择事件是一项特别艰巨的任务。μ子动量必须实时测量，并设置动量阈值来限制速率。这需要高弯曲功率(高磁场)和足够精确和可靠的μ子轨迹测量。这一考虑决定了CMS设计的出发点，并由此暗示了分析磁铁的选择、大小和功率。下一个设计重点是通过希格斯玻色子的衰变H→γγ来寻找希格斯玻色子，这需要一个优秀的电磁量热计(ECAL)。μ子系统和ECAL将由一个精密的内跟踪系统补充，该系统沉浸在高磁场中，具有良好的动量分辨率，以及一个强子量热计(HCAL)，它提供了几乎完全的量热覆盖(例如，如果希格斯玻色子的质量大于500 GeV，则用于寻找希格斯玻色子)。gydF4y2Ba

CMS探测器gydF4y2Ba

CMS探测器的纵向切割视图显示在扩展数据图中。gydF4y2Ba1克ydF4y2Ba．CMS探测器包括四个主要层:内部跟踪器、ECAL、HCAL和μ子系统。还指出了各种类型的探测元件及其通道计数。物理物体(例如，电子、光子、μ子、夸克或胶子喷流等等)是通过这四层中能量沉积和/或痕迹的不同组合来识别的。gydF4y2Ba

CMS探测器的定义选择和中心元件是长(13米)，大内径(约6米)，最先进的高场(3.8 T)超导螺线管，为内部跟踪器和μ子系统产生磁场。螺线管的大尺寸允许内部跟踪器和几乎所有的量热仪安装在螺线管内部。gydF4y2Ba

内部跟踪gydF4y2Ba

粒子从相互作用区域进入内部跟踪器，被安置在一个长5.8米、直径2.5米的圆柱形体积中。粒子首先遇到像素探测器，配置在桶状区域的三(四)圆柱层硅传感器中，在端帽区域的两(三)盘在2017年之前(之后)。像素探测器在桶区被10个同心层硅传感器包围，每个端帽区域有10厘米或20厘米长的硅微带，每个端帽区域有12个垂直平面。在弯曲平面内测量点的精度约为15 μm。几何覆盖范围延伸到从光束线角度9°。gydF4y2Ba

电磁和强子量热计gydF4y2Ba

ECAL采用致密钨酸铅闪烁晶体。每个晶体的长度约为23厘米，足以容纳高能电子和光子簇的全部能量。产生或收集的光的数量与入射粒子的能量成正比。晶体的精细横向尺寸意味着电磁阵雨的能量分布在9 (3 × 3)到25 (5 × 5)个晶体簇上。ECAL的几何覆盖从光束线下降到约6°。gydF4y2Ba

HCAL由约7000个通道组成，由约5厘米厚的黄铜吸收板和约4毫米厚的闪烁板组成。在吸收板中产生的淋浴中的带电粒子，穿过闪烁板并产生由纤维收集并引导到光电探测器的光。HCAL的几何覆盖从光束线下降到约6°。这种覆盖范围通过非常向前的量热计来扩大，包括一个铁吸收器，其中石英纤维嵌入在基质排列中。束中的相对论性带电粒子穿过纤维并产生切伦科夫光，其中一部分由纤维引导到光电探测器。该量热计将量热覆盖范围延伸至距离光束线约0.75°的角度。强子量热的厚度足以吸收几乎所有高能强子的能量。gydF4y2Ba

μ介子系统gydF4y2Ba

μ子(和中微子)是通常能到达μ子系统的唯一粒子。所有其他的粒子几乎都把它们的能量储存在量热计里，因此我们就说它们被吸收了。除了内部跟踪器内的测量外，在气体电离室中第二次测量μ子的动量。这些室被组织在四个“站”中，测量几个点，精度约为150 μm，并生成轨道段，其方向在线测量，角精度约为5 mrad。一组独立的气体电离室提供约3ns的信号定时分辨率，有助于触发过程。介子系统的测量几何覆盖范围下降到与光束线成10°角。gydF4y2Ba

事件选择gydF4y2Ba

由于从每秒大约3200万束交叉中记录数据以供以后使用所需的资源将非常昂贵，因此使用特定的过滤器(称为触发器)来选择最感兴趣的数据。在线两级触发系统gydF4y2Ba^{26gydF4y2Ba，gydF4y2Ba27gydF4y2Ba}第一层(级别1)是基于硬件的，第二层(高级或HLT)是基于软件的。1级使用定制硬件，处理来自量热计或μ子室的粗略信息，每秒选择大约100,000个感兴趣的交叉点，对应于减少约400倍。如果量热计中的能量沉积或μ子的动量高于预定义的阈值，则选择感兴趣的交叉点。在1级触发器发出后，经过略低于4μs的固定延迟后，所有来自“触发”交叉的数据都从大约1亿个探测器电子通道中的管道存储器中卸载。这些数据在地下“服务”洞穴中的电子设备中经过适当的处理后，以大约1000根光纤的碎片形式被发送到100米高的地面，并馈送到一个商业电信“交换机”。交换机获取各个片段，将它们组合在一起，“构建”事件，并将事件馈送到下一个可用的中央处理单元(CPU)核心，在大约5万个CPU核心的计算机农场中。在那里，实时的全事件物理级软件算法，优化为快速处理，重建物理对象，并选择永久存储大约1000个事件或交叉，基于拓扑和运动学信息(扩展数据表gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

事件重建gydF4y2Ba

CMS实验产生了大量的碰撞和模拟数据。为了处理、存储和分析所有这些数据，需要开发全球LHC分布式计算网格(wLCG)，为所有CMS协作成员提供数据的普遍访问。gydF4y2Ba

来自存储事件的数据被传输到位于CERN主址的Tier-0中心，在那里执行第一处理阶段。然后，这一阶段的结果被分发到全球其他七个主要中心，标记为一级中心，用于离线分析。Tier-1的设计目的是通过改进的校准和校准各种CMS子探测器来执行进一步重建碰撞数据的任务，而蒙特卡罗事件样本的生成和重建是在Tier-1中心和较小的大学基地(称为Tier-2中心)进行的。gydF4y2Ba

粒子流(PF)算法gydF4y2Ba^31gydF4y2Ba利用CMS探测器的各个元素的信息的优化组合，重建和识别事件中的每个单独的粒子。光子的能量是由ECAL中的测量得到的。电子的能量是由跟踪器确定的主要相互作用顶点的电子动量和相应晶体簇中的能量的组合确定的，包括空间上与源自电子轨道兼容的所有轫致辐射光子的能量和。μ子的动量是由相应轨道的曲率推导出来的。带电强子的能量是由它们在跟踪器中测量的动量以及匹配的ECAL和HCAL能量沉积的组合确定的。中性强子的能量由相应的修正ECAL和HCAL能量得到。gydF4y2Ba

由夸克或胶子产生的强子喷流，由PF算法在一个约25°半角锥体内的所有粒子重建而成，其中心轴由喷流中所有粒子的动量矢量和决定。gydF4y2Ba

CMS探测器的改进gydF4y2Ba

自2012年发现希格斯玻色子以来，CMS实验中已经引入了几项改进。这些包括:gydF4y2Ba

• 2016年底更换了硅像素探测器，新的探测器在筒区包含四个同心层，半径分别为29毫米、68毫米、109毫米和160毫米，6个端盖盘位于距离相互作用点的±34毫米、±41毫米和±51毫米处，沿光束线。新结构改进了二次顶点的重构，提高了b夸克的标记质量。H→bb分析灵敏度提高了2倍。gydF4y2Ba

• 在HCAL中更换光电探测器(硅光电倍增管取代混合光电二极管)并实现更精确的计时，允许减少意外或仪器背景，例如，杂散或不合时宜的粒子。gydF4y2Ba

• 2013年和2014年在第4端盖μ子站安装的室被1号运行遗漏。gydF4y2Ba

• LHC Run 2之前的1级触发器硬件升级，以改善感兴趣的物理事件的选择。降低了来自后台进程的触发率，提高了各种物理信号的触发效率。在μ子系统中，新的触发处理器板部署了强大的商用现场可编程门阵列(fpga)。引入了时间多路复用架构，使每个交叉中的所有量热数据都能被推入μ子触发系统中使用的类型的单个FPGA。fpga允许复杂和创新的算法随着条件的变化而实现和发展。gydF4y2Ba

• 在数据采集系统中，安装了一个新的交换机，增加了计算机场的CPU功率。分布式计算系统的整个结构进行了升级，以允许存储更多的事件(至少每秒1000个事件，而不是最初预计的每秒100个事件)。gydF4y2Ba

离线事件分析gydF4y2Ba

主要的物理物体被要求具有高于设定阈值的横向动量或能量。对于第二个或更远的对象，阈值会降低。这些阈值的典型值列在扩展数据表中gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

预计由希格斯玻色子衰变产生的轻子和光子将不伴随其他粒子;他们被称为“孤立的”。隔离标准是通过要求在围绕物体方向的约20°开口角的锥内没有额外的高能粒子来施加的。粒子，除了来自b夸克和c夸克或τ轻子的衰变之外，预计将直接从主相互作用顶点出现，定义为与在线选择识别的pp碰撞对应的顶点。gydF4y2Ba

使用深度神经网络(DNNs)和增强决策树等机器学习方法实现的回归和分类算法的使用增加，导致物理对象(电子、μ子、光子、b夸克、τ轻子、喷流和)识别和重建的纯度和效率同时提高gydF4y2Ba\ ({p} _ {{\ rm {T}}} ^ {{\ rm{小姐}}}\)gydF4y2Ba)，以及改进相关运动学观测数据的校准。gydF4y2Ba

所有分析都广泛使用了信号和背景过程的蒙特卡罗模拟。CMS检测器在用于生成蒙特卡洛事件样本的软件代码中被精确地描述。包括多个相互作用，这与数据中观察到的堆积相互作用的数量分布相匹配。然后，所有模拟事件样本都通过与碰撞数据相同的软件程序和程序链进行处理。模拟样本用于评估或确定几何接受度、能量、动量和质量分辨率，以及在线和离线粒子识别和重建效率，并用于许多增强决策树算法和dnn的训练。gydF4y2Ba

关于希格斯玻色子衰变通道的注释gydF4y2Ba

最终态粒子在单个衰变通道中的不变质量分布显示在扩展数据图中。gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba4gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

玻色子衰变通道gydF4y2Ba

对于H→γγ，通过测量平滑下降的背景分布上的窄信号峰值来提取信号gydF4y2Ba^42gydF4y2Ba．尽管该模式的分支率很小(0.23%)，但由于其测量光子能量的精度很高，因此是一种敏感模式。双光子不变质量分辨率为gydF4y2Ba\({\σ}_ {{m} _ {{\ rm{\伽马}}{\ rm{\伽马}}}}/ {m} _ {{\ rm {H}}} \ \ % \约1)gydF4y2Ba．所有主要的生产方式都可以研究(ggH, VBF, VH, ttH和tH)。背景主要由两个光子的量子色动力学(QCD)产生的不可约背景组成。还有一个可简化的背景，其中一个或多个重建的候选光子来自于射流碎片的错误识别，这是由夸克的QCD康普顿散射主导的。gydF4y2Ba

H→ZZ→4的研究gydF4y2Ba\({\魔法}\)gydF4y2Ba衰变通道利用Z玻色子对带电轻子的独特衰变(gydF4y2Ba\({\魔法}\)gydF4y2Ba)导致最终状态为4e，或4μ，或2e2μ(参考。gydF4y2Ba^43gydF4y2Ba)．信号呈现为平滑小背景上的窄峰。μ子(电子)的动量(能量)测量足够精确，可以给出不变的质量分辨率gydF4y2Ba\({\σ}_ {{m} _{4{\魔法}}}/ {m} _ {{\ rm {H}}} \ \ % \约1)gydF4y2Ba．背景包括两个Z玻色子或Zγ*的非共振产生的不可约部分，以及Z+喷流和顶对事件产生的可约部分，其中喷流源自重夸克，因此可能包含带电轻子，或被误认为带电轻子。由于H→ZZ(2.71%)和后续Z→的分支分数较小，该过程的事件产量很小gydF4y2Ba\({\ell}{\ell}\gydF4y2Ba(每轻子类型3.37%)衰变。为了在背景上增强信号并对事件进行分类，利用基于矩阵元似然方法的信号和背景事件预期的产生和衰减运动学的判别器与粒子的不变质量一起使用。gydF4y2Ba

扩展数据图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba(上)显示了在质心能量下pp碰撞中产生的候选H→ZZ→eμμ事件gydF4y2Ba\ \√{年代}= 13 \,rm {TeV}} {\ \)gydF4y2Ba并记录在CMS检测器中。gydF4y2Ba

对于H→WW→gydF4y2Ba\({\魔法}\)gydF4y2BaνgydF4y2Ba\({\魔法}\)gydF4y2Baν，二高gydF4y2BapgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba\({\魔法}\)gydF4y2Ba和大gydF4y2Ba\ ({p} _ {{\ rm {T}}} ^ {{\ rm{小姐}}}\)gydF4y2Ba描述最终状态gydF4y2Ba^44gydF4y2Ba并受益于H→WW衰减具有最大的分支分数之一(约22%)。由于两个中微子的存在，WW不变质量的计算是不可能的。然而，一个相关的变量，横向质量，gydF4y2Ba米gydF4y2Ba_TgydF4y2Ba，可由gydF4y2Ba\ ({{\ bf {p}}} _ {{\ rm {T}}} \)gydF4y2Ba带电轻子和gydF4y2Ba\ ({{\ bf {p}}} _ {{\ rm {T}}} ^ {{\ rm{小姐}}}\)gydF4y2Ba．一组粒子的横向质量的平方gydF4y2Ba\ ([{P} _{我}]\)gydF4y2Ba定义为gydF4y2Ba\ ({m} _ {{\ rm {T}}} ^ {2} ([{P} _{我}])={(\总和| {{\ bf {P}}} _ {{\ rm {T}},我}|)}^{2},{| \总和{{\ bf {P}}} _ {{\ rm {T}},我}|}^ {2}\)gydF4y2Ba．主导背景来自不可约的非共振WW产生，由数据估计。该通道对ggH和VBF生产过程具有良好的灵敏度。在分析中，gydF4y2Ba\(3{\魔法}\)gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba\(4{\魔法}\)gydF4y2Ba类别也包括在内，这是敏感的生产希格斯玻色子与轻衰变矢量玻色子。分析不针对ttH和tH生产方式，这是在“ttH和tH与多轻子”中讨论的专门分析。gydF4y2Ba

H→Zγ信号作为一个平稳下降的背景分布上的峰值被寻找gydF4y2Ba^45gydF4y2Ba．该分析的目标是Z玻色子衰变为2e或2μ。为了增加对信号的灵敏度，事件根据生产方式被划分为不同的类别。多变量分析(MVA)技术用于进一步分类具有高和低信背景比的区域。主要背景来自与初始态光子相关的Drell-Yan双轻子产生。gydF4y2Ba

费米子衰变通道gydF4y2Ba

对于H→τ，研究了四种不同的迪托终态gydF4y2Ba^46gydF4y2Ba: eμ， eτgydF4y2Ba_hgydF4y2Ba,μτgydF4y2Ba_hgydF4y2Ba和τgydF4y2Ba_hgydF4y2BaτgydF4y2Ba_hgydF4y2Ba，其中τgydF4y2Ba_hgydF4y2Ba指强子衰变的τ轻子。衰减通道的分析主要针对ggH、VBF和VH产生模式。τ的识别gydF4y2Ba_hgydF4y2Ba候选者使用DNN判别来拒绝被错误识别为τ的夸克和胶子喷流gydF4y2Ba_hgydF4y2Ba．为了将H→τ信号事件从不可约Z→τ事件中分离出来，使用了系统重构质量的似然估计。该分析不以ttH生产为目标，这是在“ttH和tH与多轻子”中讨论的专用分析所涵盖的。gydF4y2Ba

到目前为止，H→bb衰变通道是所有衰变通道中分支比例最大的，大约60%的希格斯玻色子以这种方式衰变。b喷流对QCD产生的背景非常大;因此，选择具有特殊特征的最终状态来提高信背景比gydF4y2Ba^{47gydF4y2Ba，gydF4y2Ba48gydF4y2Ba，gydF4y2Ba49gydF4y2Ba，gydF4y2Ba50gydF4y2Ba，gydF4y2Ba51gydF4y2Ba}．gydF4y2Ba

为了选择最可能起源于b夸克的喷流，使用了DNN算法gydF4y2Ba^{75gydF4y2Ba，gydF4y2Ba76gydF4y2Ba}．它提供了一个连续的判别分数，它结合了b夸克喷流的典型信息，例如从主顶点位移的轨道的存在，已识别的次要顶点和低的存在gydF4y2BapgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba飞机上的轻子。区分分数的阈值被设置为轻(u, d和s)夸克或胶子的误认率很低。例如，将误认率设置为0.1%，当应用于顶夸克-反夸克事件中的喷流时，b夸克喷流的识别效率为50%。gydF4y2Ba

VH生产模式使用一个或多个轻子的存在，从矢量玻色子的衰变，或大gydF4y2Ba\ ({p} _ {{\ rm {T}}} ^ {{\ rm{小姐}}}\)gydF4y2Ba．在信号敏感区域，使用dnn将信号从QCD多射流产生的背景中分离出来。gydF4y2Ba

组合中包括ttH和tH产生模式，MVA技术用于从大型多喷流背景中分离信号。本分析使用了2016年的数据集。gydF4y2Ba

最后，对产生的希格斯玻色子进行了分析gydF4y2BapgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba(ref。gydF4y2Ba^51gydF4y2Ba)．在该运动区域，信背景比较大。来自高洛伦兹增强希格斯玻色子衰变的两个b喷流在空间上很近，在探测器中显示为一个具有独特内部结构的单一宽喷流。gydF4y2Ba

扩展数据图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba(下)显示了在质心能量下pp碰撞产生的候选H→bb事件gydF4y2Ba\ \√{年代}= 13 \,rm {TeV}} {\ \)gydF4y2Ba并记录在CMS检测器中。gydF4y2Ba

H→μμ信号是在平稳下降的背景上作为迪子质量分布中的一个峰值来搜索的gydF4y2Ba^52gydF4y2Ba．迪子不变质量分辨率为gydF4y2Ba\({\σ}_ {{m} _ {{\ rm{\μ}}{\ rm{\μ}}}}/ {m} _ {{\ rm {H}}} \ \ % \约1)gydF4y2Ba．这种衰减通道的分析针对ggH, VBF, VH和ttH产生模式，并且对前两种模式最敏感。在这个衰变通道中最大的背景来自于德雷尔-严介子的产生，在这个过程中，一个离壳的Z*玻色子衰变为一对μ子。事件根据其运动学属性被划分为生产模式。为了提高分析的灵敏度，MVA技术被用于这些不同的类别。gydF4y2Ba

VH生产方式下H→cc最终状态分析(图。gydF4y2Ba1 cgydF4y2Ba)gydF4y2Ba^74gydF4y2Ba但没有包括在目前的组合。分析得出gydF4y2Ba\ \σ({\ rm {V}} {\ rm {H}}) {\ mathcal {B}} ({\ rm {H}} \ {\ rm {c}} {\ rm {c}}) < 0.94 \ \)gydF4y2Ba95% CL下的pb。观察到的95% CL区间(预期上限)gydF4y2BaκgydF4y2Ba被发现是gydF4y2Ba\(1.1 < |{\kappa}_{{\rm{c}} | < 5.5\)gydF4y2Ba（gydF4y2Ba\(| {\kappa}_{{\rm{c}} | < 3.4\)gydF4y2Ba)，是迄今为止最严格的规定。在VZ事件中搜索Z→cc被用来验证分析策略，并在强子对撞机上首次观测到这个衰减通道，显著性为5.7 s.d。gydF4y2Ba

有多轻子的tH和tHgydF4y2Ba

ttH(图;gydF4y2Ba1 dgydF4y2Ba)和tH(图。gydF4y2Ba1 e, fgydF4y2Ba)生产通道，探测希格斯玻色子与顶夸克的耦合，在希格斯玻色子和顶夸克随后与几个轻子衰变到最终状态的情况下进行了研究gydF4y2Ba^53gydF4y2Ba，补充了H→γγ、H→ZZ→4的专门研究gydF4y2Ba\({\魔法}\)gydF4y2Ba和H→bb衰变模式。gydF4y2Ba

该分析使用基于轻子数和/或τ的分类gydF4y2Ba_hgydF4y2Ba可以同时针对不同的希格斯玻色子最终态和tt衰变通道。至少有两个轻子，或者一个轻子和两个τ的类别gydF4y2Ba_hgydF4y2Ba候选者，目标情况下，至少一个顶夸克衰变通过轻态衰变W玻色子。有一个轻子和一个τ的类别gydF4y2Ba_hgydF4y2Ba，或者没有轻子和两个τgydF4y2Ba_hgydF4y2Ba候选者被用来瞄准两个顶夸克通过强子衰变W玻色子衰变的事件。该分析对H→WW、H→ττ和H→ZZ衰变通道敏感。采用了几种MVA技术来更好地分离tH和tH生产方式。gydF4y2Ba

希格斯玻色子的衰变超过了SMgydF4y2Ba

除了在“耦合修饰符的κ框架”中讨论的不可见的希格斯玻色子衰变外，其他BSM衰变也可能变成无法探测到的粒子。也就是说，这些粒子可能会在CMS探测器上留下痕迹，也可能不会，但我们没有专门的搜索来寻找这些特征。然而，未探测到的衰变的存在可以间接地从SM衰变分支分数的减少(或通过希格斯玻色子总宽度的增加)中推断出来。在这种解释中，总宽度变成gydF4y2Ba\ ({\ varGamma} _ {{\ rm {H}}} = {\ varGamma} _ {f} \和(\ kappa) / (1 - {{\ mathcal {B}}} _ {{\ rm{发票}}。},{{\ mathcal {B}}} _ {{\ rm {Undet}}。})\)gydF4y2Ba,在那里gydF4y2Ba\({{\mathcal B}}_{{\rm{Undet}}.}\)gydF4y2Ba是未检测到的粒子的分支分数。gydF4y2Ba

为了探测不可见或未被探测到的希格斯玻色子衰变，可以进行另一种拟合，包括gydF4y2Ba\({{\mathcal B}}_{{\rm{Inv}}.}\)gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba\({{\mathcal B}}_{{\rm{Undet}}.}\)gydF4y2Ba作为附加的浮动参数，同时作为上限值gydF4y2BaκgydF4y2Ba_WgydF4y2Ba而且gydF4y2BaκgydF4y2Ba_ZgydF4y2Ba它们的SM值，也适用于SM的大多数建议扩展gydF4y2Ba^{77gydF4y2Ba，gydF4y2Ba78gydF4y2Ba}．从扩展数据图可以看出。gydF4y2Ba8gydF4y2Ba(右)gydF4y2Ba\({{\mathcal B}}_{{\rm{Inv}}.}\)gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba\({{\mathcal B}}_{{\rm{Undet}}.}\)gydF4y2Ba都与零一致。95% CL的上限gydF4y2Ba\({{\mathcal B}}_{{\rm{Undet}}.}\)gydF4y2Ba是<0.16，其他变化很小gydF4y2BaκgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba拟合值，如图扩展数据图所示。gydF4y2Ba8gydF4y2Ba(右)。宽度的测量gydF4y2Ba^68gydF4y2Ba希格斯玻色子的研究将在未来用于约束这些量而不施加边界gydF4y2BaκgydF4y2Ba_WgydF4y2Ba而且gydF4y2BaκgydF4y2Ba_ZgydF4y2Ba．gydF4y2Ba

统计分析gydF4y2Ba

用于构建所有信道组合的统计框架是基于已建立的组合似然方法(参考文献)。gydF4y2Ba^40gydF4y2Ba以及其中的参考文献)，并在本节中简要介绍。gydF4y2Ba

考虑到大型强子对撞机产生的pp碰撞数量巨大，而其中一次碰撞产生类信号事件的概率相对较小，数据中的观测结果由泊松概率函数描述，gydF4y2Ba\ ({\ mathscr {P}} (k | \λ)= {{\ rm {e}}} ^{- \λ}{\λ}^ {k} / k ! \)gydF4y2Ba,在那里gydF4y2BakgydF4y2Ba观察到的事件数量和参数gydF4y2BaλgydF4y2Ba用于进入组合的每个通道的一个或多个判别分布的特定仓或区域中的预期事件数。组合似然由单个泊松概率函数的乘积获得，考虑到所有通道上的观测数据和预期事件数。gydF4y2Ba

的参数gydF4y2BaλgydF4y2Ba是感兴趣的模型参数的函数:gydF4y2BaμgydF4y2Ba，表示希格斯玻色子耦合或信号强度，以及妨害参数gydF4y2BaθgydF4y2Ba，该模型模拟了系统不确定性对预测信号和背景贡献的影响。在组合似然中还包括其他术语，以表示由于外部测量(如能量和动量尺度校准或集成光度确定)对有害参数的约束。本文所报道的测量值是使用轮廓似然比确定的gydF4y2Baq(\ \(μ)= \,2 \ \ mathrm {ln} \, {\ mathcal L}(\μ,{\帽子{\θ}}_{\μ})/ {\ mathcal L}({\μ}\帽子,帽子\{\θ})\)gydF4y2Ba在哪里gydF4y2Ba{\ \(\帽子μ}\)gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba\(\帽子θ}{\ \)gydF4y2Ba利益参数和妨害参数的值是否使可能性最大化gydF4y2Ba\({\mathcal L} (\mu，\theta)\)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\({\hat{\theta}}_{\mu}\)gydF4y2Ba妨害参数的值是否使某固定值的可能性最大化gydF4y2Ba\μ(\ \)gydF4y2Ba．给定的一组测量值与其对应的SM预测之间的兼容性被报告为agydF4y2BaPgydF4y2Ba价值，源于之间的差异gydF4y2Ba问gydF4y2Ba_SMgydF4y2Ba而且gydF4y2Ba\ (q(\帽子{\μ})\)gydF4y2Ba．期望区间是从Asimov数据集导出的，其中有害参数被设置为它们的最大似然估计值。gydF4y2Ba

修正似然比检验统计量gydF4y2Ba\(\波浪号{q}(\μ)= \,2 \ \ mathrm {ln} \ [{\ mathcal L}(\μ,{\帽子{\θ}}_{\μ})/ \)gydF4y2Ba\({\mathcal L} (\hat{\mu}，\hat{\theta})]\)gydF4y2Ba有约束条件gydF4y2Ba\(0\le \hat{\mu}\le \mu \)gydF4y2Ba用于设置信号强度和生产截面的95% CL上限，使用“CLgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}标准”gydF4y2Ba^40gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

所有报告的置信区间，置信区域和gydF4y2BaPgydF4y2Ba假设(修正的)似然比检验统计量的分布的各种渐近近似值得到的值gydF4y2Ba^79gydF4y2Ba．在个别分析的背景下，每当事件收益率很小或不满足特定的有效性条件时，就会例行检查渐近假设的有效性。gydF4y2Ba

产生通道的信号强度和衰减模式gydF4y2Ba

在模式下产生的希格斯玻色子gydF4y2Ba我gydF4y2Ba衰变到最终状态gydF4y2BafgydF4y2Ba时，信号事件产率成正比gydF4y2Ba\({\sigma}_{i}{{\mathcal B}}^{f}\)gydF4y2Ba,在那里gydF4y2BaσgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba生产截面和gydF4y2Ba\({{\mathcal B}}^{f}\)gydF4y2Ba是衰变分支分数。分支分数依次由gydF4y2Ba\ ({{\ mathcal {B}}} ^ {f} = {\ varGamma} ^ {f} / {\ varGamma} _ {{\ rm {H}}}, \)gydF4y2Ba在哪里gydF4y2BaΓgydF4y2Ba^fgydF4y2Ba部分衰减宽度是否在最终状态gydF4y2BafgydF4y2Ba而且gydF4y2BaΓgydF4y2Ba_HgydF4y2Ba希格斯玻色子的总自然宽度。gydF4y2Ba

拟合是在不同的假设下进行的:每一个整体的单一信号强度，产生gydF4y2BaμgydF4y2Ba= 1.002±0.057;每个生产通道信号强度(gydF4y2Ba\({\μ}_{我}={\σ}_{我}/{\σ}_{我}^ {{\ rm {SM}}} \)gydF4y2Ba与gydF4y2Ba\ ({{\ mathcal B}} ^ {f} = {{\ mathcal B}} _ {{\ rm {SM}}} ^ {f} \)gydF4y2Ba),无花果。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba(左);每个衰减模式信号强度(gydF4y2Baf \({\μ}^ {}= {{\ mathcal B}} ^ {f} / {{\ mathcal B}} _ {{\ rm {SM}}} ^ {f} \)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\({\sigma}_{i}={\sigma}_{i}^{\rm{SM}}}\)gydF4y2Ba),无花果。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba(右);并且每个产生模式和衰减通道的单独组合具有自由参数，如图扩展数据图所示。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

每种生产模式拟合信号强度的协方差矩阵gydF4y2Ba我\({\μ}_ {}\)gydF4y2Ba每个衰变通道gydF4y2BaμgydF4y2Ba^fgydF4y2Ba如图扩展数据图所示。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

自我互动强度的注意事项gydF4y2Ba

BEH场的势能(gydF4y2BaϕgydF4y2Ba)由gydF4y2Ba\ \ (V (\ varphi), = \)gydF4y2Ba\(\压裂{1}{2}{m} _ {{\ rm {H}}} ^ {2} {\ varphi} ^ {2} + \ sqrt{\λ/ 2}{m} _ {{\ rm {H}}} {\ varphi} ^ + \压裂{1}{3}{4}\λ{\ varphi} ^{4} \)。gydF4y2Ba第一项表示希格斯玻色子的质量gydF4y2Ba米gydF4y2Ba_HgydF4y2Ba．第二项表示希格斯玻色子的自相互作用gydF4y2BaλgydF4y2Ba．在SM中，gydF4y2Ba\ \(λ= {m} _ {{\ rm {H}}} ^ {2} / {\ upsilon} (2 ^ {2}) \)gydF4y2Ba(其中BEH场最小值对应的真空期望值为gydF4y2Ba(\ upsilon = 246 \ \ {\ rm {GeV}} \)gydF4y2Ba)，并且可以通过研究希格斯玻色子对的产生来测量。第三项代表了四个希格斯玻色子在一点上的相互作用，这一过程甚至比它的对产生更罕见。势的确切形状的知识gydF4y2BaVgydF4y2Ba对于理解早期宇宙发生的相变及其后果至关重要gydF4y2Ba^80gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

寻找希格斯玻色子对的产生是通过组合希格斯玻色子对来进行的，每个希格斯玻色子对具有不同的衰变模式。所使用的衰变模式是bb、ττ和WWgydF4y2Ba^{57gydF4y2Ba，gydF4y2Ba58gydF4y2Ba，gydF4y2Ba59gydF4y2Ba，gydF4y2Ba60gydF4y2Ba}，受益于大的分支分数，γγgydF4y2Ba^61gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba\({\rm{ZZ}}\to 4{\ell}\)gydF4y2Ba^62gydF4y2Ba，受益于窄质量峰的存在，从而提高了信背景比。所分析的所有最终状态都被定义为互斥的，以便它们可以适当地组合为统计上独立的观察结果。gydF4y2Ba

用希格斯玻色子对产生的测量来约束希格斯玻色子的自相互作用强度gydF4y2BaλgydF4y2Ba．在这项研究中使用了个别希格斯玻色子衰变模式的几种组合。希格斯玻色子对产生和衰变的最高速率发生在两个希格斯玻色子都衰变为b夸克对HH→bbbb时，对应于SM中所有可能HH衰变的约35%。gydF4y2Ba

在4b衰减模式下的搜索gydF4y2Ba^{57gydF4y2Ba，gydF4y2Ba58gydF4y2Ba}分别执行的假设是gydF4y2Ba\({m}_{{\rm{H}}}^{*}}\gg 2{m}_{{\rm{H}}}\)gydF4y2Ba与否。在这种情况下gydF4y2Ba\({m}_{{\rm{H}}}^{*}}\gg 2{m}_{{\rm{H}}}\)gydF4y2Ba在美国，每一个希格斯玻色子都是有能量的(因此被认为是被增强的)，因此它的衰变产物，例如b夸克喷流，合并并出现为一个宽喷流，但具有独特的内部结构。在后一种情况下，所有四个b夸克喷流很少重叠，因此被认为是解决的。gydF4y2Ba

另一组分析的目标是HH最终态，其中一个H衰变为b夸克，另一个衰变为ττgydF4y2Ba^59gydF4y2Ba,γγgydF4y2Ba^61gydF4y2Ba或gydF4y2Ba\({\rm{ZZ}}\to 4{\ell}\)gydF4y2Ba^62gydF4y2Ba．分析了一组多轻子的最终态gydF4y2Ba\ ({p} _ {{\ rm {T}}} ^ {{\ rm{小姐}}}\)gydF4y2Ba分别为HH→(WW)(WW)、HH→(WW)(ττ)或HH→(ττ)(ττ)gydF4y2Ba^60gydF4y2Ba，其中还包括强子τ轻子衰变。gydF4y2Ba

拟合希格斯玻色子对的产生数据可用于同时约束gydF4y2BaκgydF4y2Ba_λgydF4y2Ba而且gydF4y2BaκgydF4y2Ba_{2 vgydF4y2Ba}如图扩展数据图所示。gydF4y2Ba9gydF4y2Ba(左)。gydF4y2Ba

对单个希格斯玻色子产生和衰变的测量也可用于约束gydF4y2BaκgydF4y2Ba_λgydF4y2BaSM希格斯玻色子产生模式和衰变通道所依赖的量子修正gydF4y2BaκgydF4y2Ba_λgydF4y2Ba(参考文献。gydF4y2Ba^{81gydF4y2Ba，gydF4y2Ba82gydF4y2Ba})．这些修正是推导出来的gydF4y2Ba^83gydF4y2Ba为进入组合的不同生产和衰减模式，见扩展数据表gydF4y2Ba2gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

的价值gydF4y2BaκgydF4y2Ba_λgydF4y2Ba从单希格斯玻色子和对希格斯玻色子产生中提取的数据如图所示。gydF4y2Ba9gydF4y2Ba(右)。gydF4y2Ba

HL-LHC运行CMS实验升级gydF4y2Ba

为了充分挖掘大型强子对撞机的潜力，加速器及其实验将得到升级。HL-LHC将在瞬时光度为5 × 10的条件下工作gydF4y2Ba^34gydF4y2Ba厘米gydF4y2Ba^{−2gydF4y2Ba}年代gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}．其目的是收集比300fb多10倍的数据gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}LHC初始阶段所预见的。这意味着综合辐射水平将相应增大。gydF4y2Ba

要研究的物理驱动升级的技术选择。物理目标是:gydF4y2Ba

• 精确测量希格斯玻色子及其自耦合的性质，以进一步阐明电弱对称性破缺的物理学;gydF4y2Ba

• BSM物理搜索;而且gydF4y2Ba

• 选择精密SM测量。gydF4y2Ba

将这些物理目标转化为实验设计目标需要:gydF4y2Ba

• 构建一种新的更高粒度、更防辐射的硅跟踪器。新的前端电子设计将允许来自内部跟踪器的信息参与一级触发器。单个检测元件的尺寸将减小，导致电子通道数量增加约10倍。跟踪器内的所有组件(硅传感器，前端电子设备，10gbgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}数据链等)将必须承受高达500 Mrad的综合剂量和10 Mrad的影响gydF4y2Ba^16gydF4y2Ba(1兆电子伏当量中子)每厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba．内部跟踪器的几何覆盖范围将增加，从光束线向下延伸2°的角度。gydF4y2Ba

• 更换受辐射影响的其他部件。主要是端盖量热计和ECAL前端电子设备。端帽量热计将被一种具有精确定时的新型高粒度“成像”量热计所取代。它将以600米为基础gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba由硅传感器和0.5厘米大小的探测单元组成gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba到1.0厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba．该量热计中的区域将达到高达500 Mrad的综合剂量和10的影响gydF4y2Ba^16gydF4y2Ba(1兆电子伏当量中子)每厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba．ECAL桶的新前端电子设备将允许每个晶体的数据被发送到量热计的一级触发处理器，而不是现在的25个晶体的总和，这将允许更好地测量电子或光子的撞击时间。gydF4y2Ba

• 更高带宽的Level-1和高级触发器。来自内部追踪器的信息将被用于1级。1级触发延迟将从4 μs增加到12 μs以上，需要对前端电子设备进行相应的更改，允许更多的处理时间，从而实现更纯粹的事件选择。1级处理器的输出速率将从100 kHz增加到750 kHz，相应的，用于后续分析的事件存储数量将从1 kHz增加到10 kHz。gydF4y2Ba

• 引进精密定时探测器。一套新的探测器将安装在炮管和端帽区域，覆盖距离光束线9°角的区域。光子(在桶状区域)和带电轨道的精确定时将大大提高正确相互作用顶点的定位。在HL-LHC中，平均而言，大约140对质子预计在每次交叉中相互作用，分布在以gydF4y2BaσgydF4y2Ba≈200 ps。此外，能量的抑制可以在时间上与兴趣的相互作用不一致。gydF4y2Ba

升级后的HL-LHC CMS实验将比目前的更强大。希格斯玻色子性质的许多测量的不确定度预计将接近百分比水平，受益于预期的更大的事件样本，减少的实验系统不确定度和更精确的理论计算。gydF4y2Ba

理论参考gydF4y2Ba

我们分析中使用的理论工作可以在LHC希格斯横截面工作组报告中找到gydF4y2Ba^{36gydF4y2Ba，gydF4y2Ba37gydF4y2Ba，gydF4y2Ba38gydF4y2Ba，gydF4y2Ba39gydF4y2Ba}还有裁判。gydF4y2Ba^{54gydF4y2Ba，gydF4y2Ba56gydF4y2Ba，gydF4y2Ba84gydF4y2Ba，gydF4y2Ba85gydF4y2Ba，gydF4y2Ba86gydF4y2Ba，gydF4y2Ba87gydF4y2Ba，gydF4y2Ba88gydF4y2Ba，gydF4y2Ba89gydF4y2Ba，gydF4y2Ba90gydF4y2Ba，gydF4y2Ba91gydF4y2Ba，gydF4y2Ba92gydF4y2Ba，gydF4y2Ba93gydF4y2Ba，gydF4y2Ba94gydF4y2Ba，gydF4y2Ba95gydF4y2Ba，gydF4y2Ba96gydF4y2Ba，gydF4y2Ba97gydF4y2Ba，gydF4y2Ba98gydF4y2Ba，gydF4y2Ba99gydF4y2Ba，gydF4y2BaOne hundred.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba101gydF4y2Ba，gydF4y2Ba102gydF4y2Ba，gydF4y2Ba103gydF4y2Ba，gydF4y2Ba104gydF4y2Ba，gydF4y2Ba105gydF4y2Ba，gydF4y2Ba106gydF4y2Ba，gydF4y2Ba107gydF4y2Ba，gydF4y2Ba108gydF4y2Ba}．gydF4y2Ba