緊湊型介子螺線管(CMS)是大型強子對撞機(LHC)上的一種通用探測器。它有一個廣泛的物理項目，從研究標準模型(包括希格斯玻色子)到尋找可能構成暗物質的額外維度和粒子。CMS探測器是建立在一個巨大的螺線管磁鐵。這是一個由超導電纜組成的圓柱形線圈，可以產生4特斯拉的磁場，大約是地球磁場的10萬倍。磁場被鋼“軛”所限制，構成了探測器14000噸的主體重量。來源:歐洲核子研究中心
2012年，希格斯玻色子在瑞士日內瓦的歐洲粒子物理研究所(CERN)的大型強子對撞機(LHC)產生的一堆其他粒子中被發現，一夜成名。這一發現之所以具有里程碑意義，是因為希格斯玻色子具有賦予其他基本粒子質量的特殊特性，而此前人們只在理論上對希格斯玻色子進行了研究。它在碰撞粒子的碎片中也極其罕見和難以識別。
加州理工學院的物理學家在希格斯玻色子的發現中發揮了重要作用，這一結果為理論物理學家彼得·希格斯贏得了2013年諾貝爾物理學獎，現在他們繼續在罕見的希格斯玻色子過程中取得重大發現。
今年夏天，粒子物理學家首次利用LHC的緊湊介子螺線管(CMS)實驗收集到的數據，發現了希格斯玻色子衰變為一對基本粒子——介子的證據。介子是電子的一個較重的版本，介子和電子都屬於一類被稱為費米子的粒子，正如在被廣泛接受的粒子模型——標準模型中描述的那樣。標準模型將所有粒子分類為費米子或玻色子。一般來說，費米子是所有物質的基石，而玻色子是力的載體。
介子也被稱為第二代粒子。第一代費米子粒子，如電子，是最輕的粒子;第二代和第三代粒子可以衰變為第一代粒子。這項新發現首次證明希格斯玻色子與第二代費米子相互作用。
此外，這一結果進一步證明希格斯粒子對費米子的衰減率與費米子質量的平方成正比。這是希格斯理論的一個重要預測。有了更多的數據，大型強子對撞機實驗有望證實希格斯粒子確實給了基本粒子質量。
“這種測量的重要性在於，我們正在探測涉及希格斯玻色子的罕見過程，並且我們處於精確的希格斯物理學研究體制中，任何偏離標準模型預測的現象都可以將我們引向新的物理學領域。” -易欽（Citech）物理學教授。
科學家們分析了大型強子對撞機的另一個儀器ATLAS(環形大型強子對撞機儀器)的數據，也發現了希格斯玻色子衰變為介子的確鑿證據。兩項實驗的結果都在2020年8月舉行的第40屆國際高能物理會議上公佈。
“我們需要更多的數據和聰明的分析方法來證實我們的結果，但這是我們第一次看到希格斯玻色子衰變為兩個介子的證據，”艾琳·杜塔(20歲)說，她是加州理工CMS團隊的成員，也是斯皮羅普魯實驗室的研究生。這個結果在實驗上證實了粒子物理學標準模型的預測是正確的。即使我們的模型有一個小的偏差，也會告訴我們還有其他的事情在發生，但是到目前為止標準模型仍然是堅定的，”Dutta說。
這一發現將最終幫助科學家更好地理解希格斯玻色子是如何賦予費米子質量的。希格斯玻色子可以被認為是希格斯場的振動或激發。希格斯場就像一層厚厚的糖漿，當粒子穿過它時，它們獲得了質量;粒子在場裡運動得越慢，它們的重量就越重。
“我們想要了解宇宙中質量的起源，”加州理工CMS團隊成員南路說，他是斯皮羅普魯實驗室的博士後學者。“希格斯玻色子是理解這一機制的實驗工具，也可能是發現新物理的把柄。我們不能系統地觀察希格斯玻色子或其他基本粒子，除了它們在高能粒子碰撞中的表現，但它們是我們宇宙的基本組成部分，”盧說。
加州理工學院的研究小組通過尋找希格斯玻色子對這一新的發現做出了貢獻。希格斯玻色子是由一種特殊的機制產生的，其中兩種被稱為夸克的粒子同時產生(夸克是費米子的另一種類型)。這一過程特別有趣，因為這兩個夸克提供了不同的特徵來幫助識別希格斯玻色子。盧開發了探測CMS搜索不同質量希格斯玻色子靈敏度的方法，從而提高了發現的可信度。杜塔致力於展示一種高級人工智能(AI)方法論工具的能力，這種工具被稱為深度神經網絡，用於分析LHC數據。
Dutta和Lu都幫助得到了最終的靈敏度結果。前加州理工學院博士後學者Joosep Pata目前在愛沙尼亞的國家化學物理和生物物理研究所工作，他開發了一種新的方法來加速項目中使用的複雜計算分析。
“探索希格斯玻色子的性質，就相當於尋找我們知道必須存在的新物理。”Spiropulu說。“我特別為Nan, Irene, Joosep和整個加州理工CMS團隊的工作感到驕傲，他們的才華，多樣性和成果在一個巨大的國際合作的景觀中熠熠生光。”
加州理工學院CMS團隊還包括哈維·紐曼(Harvey Newman)，馬文·l·戈德伯格(Marvin L. Goldberger)物理學教授;物理學研究助理教授謝思;研究科學家Adi Bornheim和Cristian Pena (MS ' 15, PhD ' 17);以及加州理工學院CMS電磁量熱計團隊經理朱仁元。
