近日，由教育部主管、高等教育出版社主办的物理学前沿期刊Frontiers of Physics联合蔻享学术发起的“2025年度物理学前沿十大进展” 征集评选活动名单发布。上海交通大学李政道研究所和物理与天文学院ATLAS研究团队（博士后李昌樵、陈婧，博士生刘齐斌、朱栩量，本科生蒋祺民、蔡祺，李数教授、杨海军教授等）的成果“希格斯新物理实验研究重要进展——首个‘宇宙学一致性’暗希格斯寻找及首个三希格斯过程实验研究”入选2025年度物理学前沿十大进展。热烈祝贺！
一、成果及作者信息
中文标题：希格斯新物理实验研究重要进展——首个“宇宙学一致性”暗希格斯寻找及首个三希格斯过程实验研究
英文标题：First Cosmological Constrained Dark Higgs Search and First Triple Higgs Search作者：ATLAS国际合作组
主要贡献团队：李政道研究所/物理与天文学院ATLAS研究团队（博士后李昌樵、陈婧，李政道博士生刘齐斌、朱栩量，本科生蒋祺民、蔡祺，李数教授、杨海军教授等）
单位：上海交通大学李政道研究所 & 物理与天文学院发表期刊：Physical Review Letters，Physical Review D
论文链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.121801
https://doi.org/10.1103/PhysRevD.111.032006
二、研究背景
希格斯玻色子作为标准模型中最后被发现的基本粒子，并且是迄今为止被发现的唯一一个自旋为0的标量玻色子，其发现至今已逾十年，但其具体性质、与其他超出标准模型的新物理之间是否存在关联，仍亟待探索。此外，暗物质暗能量作为21世纪高悬于人类头顶的两朵乌云，亟待通过更多全新的理论思路和实验方法开展深入研究和探索。李政道研究所/物理与天文学院ATLAS研究团队长期从事粒子物理高能量前沿的基本相互作用玻色子物理研究，通过长期研究工作积累，密切结合学科前沿，依托“暗物质物理全国重点实验室”研究平台，深耕目前粒子物理前沿研究中的“希格斯新物理通道”和“暗物质之谜”两大重大基础科学问题，基于LHC国际大科学装置在万亿电子伏能标下所采集的海量质子-质子对撞数据，以希格斯玻色子为探针开展对撞机实验中的暗物质寻找及其他相关新物理研究。
暗物质作为现代物理学中最核心的未解之谜之一，其存在性已被多项天文与宇宙学观测所证实。为了探究其质量来源，理论物理学家提出了“暗希格斯机制”这一框架，将基于U(1)对称性自发破缺的希格斯机制引入暗物质领域，从而解释连接标准模型粒子世界与暗物质世界的重媒介子Z′及暗物质粒子χ的质量来源。在该模型中，暗希格斯与标准模型的希格斯粒子存在耦合，使得LHC上的对撞机实验可以通过探测其可见衰变末态来进行验证。图1所示的暗希格斯粒子典型产生过程，其衰变末态依赖于粒子的质量：高质量时偏向双玻色子衰变，而低质量时则以双底夸克为主。
图1 暗希格斯粒子产生的典型过程费曼图。
多希格斯产生与希格斯自耦合研究不仅是标准模型希格斯性质研究中的重要方向，也是希格斯新物理探针的重要研究工具。检验标准模型希格斯性质的同时，通过重质量共振态寻找暗希格斯等新粒子（X→SH→HHH）、通过自耦合与标准模型偏离度研究检验希格斯势和真空稳定性寻找电弱相变新物理等也是希格斯新物理研究的重要途径。目前LHC实验中的双希格斯产生测量和三线自耦合研究得以全面开展，而更为稀有的三希格斯产生测量和四线自耦合研究（见图2）仍亟待探索。
图2 (超)标准模型三希格斯产生过程费曼图。
三、核心成果与亮点
欧洲核子研究中心大型强子对撞机（CERN-LHC）ATLAS实验国际合作组发表了首个“宇宙学一致性”暗希格斯粒子（Dark Higgs）寻找的最新研究成果【Phys. Rev. Lett. 134, 121801 (2025)】及首个三希格斯协同产生过程的寻找【Phys. Rev. D 111, 032006 (2025)】。
作为目前全球能量最高的粒子对撞机实验，LHC为暗物质的搜寻提供了独特的窗口。在对撞过程中，暗物质本身难以被探测器直接记录，但其存在可通过“丢失横动量”这一特征表现出来，即在束流横平面上出现不对称的动量和能量分布。ATLAS实验此次发布的暗希格斯搜索结果，基于Run 2阶段高达约140 fb⁻¹的质子对撞数据，聚焦于“bb+丢失横动量（MET）”这一高灵敏度末态，全面扫描了质量在30–150 GeV范围内的暗希格斯粒子存在性。
在暗希格斯粒子寻找的研究工作中，李政道研究所/物理与天文学院ATLAS研究团队基于ATLAS实验Run2完整数据，在国际上首次将宇宙学的“遗迹密度”（Ωh²）观测值纳入分析，探索具有“宇宙学一致性”的模型参数配置，完成了国际上首个与宇宙学暗物质遗迹观测结果相容的暗希格斯粒子实验研究，获得低质量暗希格斯国际领先的实验约束【Phys. Rev. Lett. 134, 121801 (2025)】：在95%置信度下，将媒介子Z’质量排除至高达4.8 TeV，逼近理论计算的微扰极限，与其他高质量暗希格斯搜索结果联合首次构建了覆盖30–400 GeV暗希格斯质量区间的完整排除限。（详见图3）
图3 上图：典型参数设置（暗物质质量200 GeV，gχ=1.0，gq =0.25）下的排除限；下图：宇宙学一致性参数约束（耦合参数符合Ωh²观测，暗希格斯质量70 GeV）下的排除限。
在该工作中，研究团队引入了创新的强子喷注“重聚束 (Re-clustering)”技术，以小半径重建初级喷注，再以大半径进行重聚，精确提取暗希格斯的喷注结构与动力学信息，并实现更为有效的质量重建。该技术成功重建了质量低至20 GeV的大半径喷注，为低质量暗希格斯研究创造了可能性（详见图4上图）。同时，针对在夸克味道鉴别方面传统算法在喷注重叠情况下表现不佳的困境，研究团队基于深度学习DXbb味标定算法（详见图4下图），融合了喷注次级结构与整体动力学信息，大幅提高暗希格斯底夸克衰变强子喷注过程的新物理寻找灵敏度。暗希格斯候选事例展示详见图5。
图4 上图：重聚束（Re-clustering）喷注重建技术示意图；下图：深度机器学习DXbb算法示意图。
图5 暗希格斯粒子ATLAS实验候选事例示意图（圆椎对应暗希格斯粒子大半径重味强子喷注）。
多希格斯产生与自耦合研究是目前LHC及未来高亮度LHC实验的重要研究方向，不仅关系到多希格斯协同产生过程截面测量及希格斯自耦合参数测量的标准模型检验，更与宇宙早期电弱相变、宇宙真空稳定性、复合希格斯粒子新物理、暗希格斯等其他重质量共振态新粒子寻找及有效场理论模型无关新物理研究等前沿方向密切相关。作为LHC上的热点研究课题，目前双希格斯产生过程与希格斯三线自耦合（𝛋λ或𝛋3）测量已经得到稳步推进并持续提升测量精度，最新测量结果可参考LHC最新发布的ATLAS+CMS双希格斯联合统计测量结果【ATLAS-CONF-2025-012】。而作为比双希格斯过程更为稀有的三希格斯协同产生过程（在LHC上比单希格斯产生截面小~60万倍）及希格斯四线自耦合（𝛋4）则从未完成过测量。
采用单希格斯最大分支比的衰变道：双底夸克衰变道，李政道研究所/物理与天文学院ATLAS研究团队在国际合作组中开展并完成了首个三希格斯六底夸克衰变过程的测量，是国际上首个三希格斯产生过程的测量结果（详见图6和图7）。在相关研究中，基于三希格斯产生过程的稀有性挑战和六底夸克希格斯衰变配对问题的高度复杂性，采用机器学习算法优化希格斯底夸克配对效率并利用深度残差神经网络(resDNN)提高整体信噪比，对研究希格斯粒子的自耦合和基于三希格斯过程寻找新共振态标量粒子（暗希格斯粒子）新物理做出了重要贡献。
图6 希格斯三线与四线耦合测量结果的95%和68%置信度统计约束二维关联性示意图(𝛋3 vs. 𝛋4)。
图7 三希格斯产生与六底夸克衰变过程的ATLAS实验候选事例示意图。
四、总结与展望
作为希格斯新物理实验研究重要进展，相关工作加强了粒子物理领域两个重要基础科学问题“希格斯机制”与“暗物质”之间的联系，基于双底夸克衰变道采用最新的重聚束喷注重建、深度机器学习味标定等前沿技术，首次将宇宙学“大爆炸遗迹密度”观测结果纳入参数空间约束（“宇宙学一致性”），大幅提升暗希格斯粒子低质量区探测灵敏度，获得目前国际上最强的实验限制，是对撞机实验中希格斯通道寻找暗物质的重要进展；在六底夸克衰变道完成了国际上首个三希格斯协同产生过程的寻找（HHH→6b），给出了国际上首个三希格斯产生截面的实验测量上限及希格斯四线耦合参数的测量上限，并通过双希格斯共振态（X→SH→HHH）给出了万亿电子伏质量区的暗希格斯粒子实验测量上限，获得国际合作组物理热点报道【https://atlas.cern/Updates/Briefing/First-Tri-Higgs-Search】。未来，在三倍数据量下的Run2+Run3以及未来10倍数据量的高亮度LHC实验运行阶段，暗希格斯研究及多希格斯产生过程寻找工作将继续获得灵敏度和精度的提升，为暗物质新物理和希格斯自耦合等前沿重大基础科学问题研究做出进一步贡献
五、研究团队简介
上海交通大学李政道研究所和物理与天文学院的ATLAS研究团队主导了相关研究课题的设计、技术路线探索与优化创新、理论合作与模拟实现、数据分析优化与最终统计分析工作。在暗希格斯粒子寻找研究工作中，博士后李昌樵（在站期间完成研究工作，现为德国马克斯普朗克物理研究所博士后）担任了物理分析负责人（Analysis Contact）主导分析全流程，李政道博士生刘齐斌（导师：李数，现为美国斯坦福大学直线加速器中心国家实验室博士后）代表团队做了合作组文章批准报告（Paper Approval Talk），李政道研究所/物理与天文学院团队在该研究中完成了信号定义、框架搭建、样本生成、系统误差计算与统计分析等核心工作，并在重聚束喷注重建技术研发、DXbb标定技术研发刻度与应用方面取得重要创新，相关研究工作也是刘齐斌博士学位论文的主要工作。在三希格斯寻找研究工作中，博士后陈婧（在站期间完成研究工作，现为中国科学院上海应用物理研究所副研究员）担任了物理分析负责人（Analysis Contact），李政道研究所/物理与天文学院团队在分析整体设计、三希格斯六底夸克机器学习配对算法研究、深度残差神经网络信噪比优化等核心工作中做出了重要核心贡献。相关工作亦助力本科生培养深造：蒋祺民现为香港大学博士研究生，蔡祺现为清华大学博士研究生。
相关研究工作得到国家自然科学基金委国际合作交流项目、科技部国家重点研发计划项目、暗物质物理全国重点实验室、粒子天体物理和宇宙学教育部重点实验室以及上海市粒子物理和宇宙学重点实验室、数理化生国家高层次人才培养中心李政道博士生项目的支持，在此深表感谢。
来源：物理学前沿FOP刊
编辑：叶丹
责任编辑：张小丽
