[论文解读] The Discovery of the Higgs Boson with the CMS Detector and its Implications for Supersymmetry and Cosmology

W. De Boer|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 42被引用 3

一句话总结

本文展示了CMS实验在125.7 GeV处发现希格斯玻色子，证实其与规范玻色子和费米子的耦合符合标准模型的预测。所观测到的质量位于超对称理论预测的130 GeV以下范围内，尽管尚未直接探测到超对称伙伴粒子，但为超对称提供了间接证据，并强调了希格斯玻色子在宇宙质量与暗能量中作用有限，而这一现象仍无法由希格斯机制解释。

ABSTRACT

The discovery of the long awaited Higgs boson is described using data from the CMS detector at the LHC. In the SM the masses of fermions and the heavy gauge bosons are generated by the interactions with the Higgs field, so all couplings are related to the observed masses. Indeed, all observed couplings are consistent with the predictions from the Higgs mechanism, both to vector bosons and fermions implying that masses are indeed consistent of being generated by the interactions with the Higgs field. However, on a cosmological scale the mass of the universe seems not to be related to the Higgs field: the baryonic mass originates from the binding energy of the quarks inside the nuclei and dark matter is not even predicted in the SM, so the origin of its mass is unknown. The dominant energy component in the universe, the dark energy, yields an accelerated expansion of the universe, so its repulsive gravity most likely originates from a kind of vacuum energy. The Higgs field would be the prime candidate for this, if the energy density would not be many orders of magnitude too high, as will be calculated. The Higgs mass is found to be 125.7$\pm$0.3(stat.)$\pm$0.3(syst.) GeV, which is below 130 GeV, i.e. in the range predicted by supersymmetry. This may be the strongest hint for supersymmetry in spite of the fact that the predicted supersymmetric particles have not been discovered so far.

研究动机与目标

• 利用大型强子对撞机（LHC）CMS探测器获取的数据，呈现希格斯玻色子的实验发现。
• 检验所观测到的希格斯玻色子与规范玻色子及费米子的耦合是否与标准模型的希格斯机制一致。
• 评估希格斯场的宇宙学影响，特别是其在暗能量和宇宙质量-能量预算中的作用。
• 在未直接探测到超对称伙伴粒子的前提下，评估希格斯玻色子质量作为超对称的间接证据。
• 探索如NMSSM等模型中额外希格斯玻色子的可能性，特别是通过双希格斯粒子产生和不可见衰变。

提出的方法

• 分析大型强子对撞机（LHC）CMS探测器收集的质子-质子碰撞数据，重点关注希格斯玻色子衰变道，如γγ、WW*、ZZ*和bb̄。
• 将观测到的分支比和产生率与标准模型预测进行比较，以检验希格斯机制的一致性。
• 使用显著性检验确认在125.7 GeV处发现一种新粒子，不确定性为±0.3（统计）±0.3（系统）GeV。
• 在超对称模型（特别是MSSM和NMSSM）的背景下评估希格斯玻色子质量，以评估其与理论预测的兼容性。
• 研究宇宙学约束，包括希格斯场的真空能量密度及其与观测到的暗能量之间的显著差异。
• 对扩展希格斯结构的潜在信号（如NMSSM中的双希格斯粒子产生和不可见衰变）进行模拟与分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 所观测到的粒子在与向量玻色子和费米子的耦合方面是否与标准模型的希格斯玻色子一致？
• RQ2 尽管尚未探测到超对称伙伴粒子的直接信号，所测量的125.7 GeV希格斯玻色子质量是否为超对称提供了证据？
• RQ3 考虑到理论预测的真空能量与观测到的暗能量之间存在层级问题，希格斯场在多大程度上可解释宇宙的暗能量？
• RQ4 希格斯玻色子对宇宙相变（包括电弱对称性自发破缺和暴胀）有何影响？
• RQ5 125.7 GeV希格斯玻色子的发现能否作为扩展希格斯结构（如NMSSM）的独特信号，特别是通过双希格斯粒子产生或不可见衰变？

主要发现

• 希格斯玻色子质量被测量为125.7 ± 0.3（统计）± 0.3（系统）GeV，与标准模型预测一致，并处于超对称理论预测的130 GeV以下范围内。
• 希格斯玻色子与向量玻色子及费米子的所有观测耦合均与标准模型一致，证实了质量通过希格斯机制产生。
• 希格斯场并非宇宙中质量的主要来源；重子质量主要来自夸克的结合能，而暗物质仍无法由标准模型解释。
• 希格斯场预测的真空能量远大于观测到的暗能量，表明存在重大的理论矛盾。
• 尽管尚未直接探测到超对称伙伴粒子，希格斯玻色子质量为迄今为止最强的超对称间接线索。
• 在NMSSM等模型中，较重的希格斯玻色子可衰变为两个较轻的希格斯粒子，分支比最高可达41%，为双希格斯粒子产生提供了NMSSM中独有的信号，而MSSM中不存在此类过程。