ATLAS và CMS tiến gần hơn đến việc tìm cặp boson Higgs

Tại Hội nghị Quốc tế về Vật lý Năng lượng cao (ICHEP) 2026, hai thí nghiệm ATLAS và CMS tại CERN đã công bố những phân tích nhạy hơn về quá trình tạo ra hai boson Higgs, thường được ký hiệu là HH.

ATLAS ghi nhận một phần dữ liệu có vẻ cao hơn nền dự kiến, còn CMS đưa ra các giới hạn chặt chẽ hơn đối với tốc độ tạo cặp Higgs. Tuy nhiên, cả hai hợp tác đều chưa công bố quan sát quá trình này. Nói cách khác, vật lý Higgs đã tiến thêm một bước, nhưng bằng chứng vẫn chưa đủ mạnh để gọi là phát hiện.

ATLAS thấy một độ lệch đáng chú ý nhưng chưa có tính kết luận

Phân tích mới của ATLAS tập trung vào kênh phân rã:

[
HH \to b\bar b\tau^+\tau^-
]

Trong đó, một boson Higgs phân rã thành một quark bottom và phản quark bottom, còn boson kia phân rã thành một cặp lepton tau.

ATLAS sử dụng tổng cộng 196 fb⁻¹ dữ liệu va chạm proton–proton được ghi nhận trong giai đoạn 2015–2023. Mẫu dữ liệu này gồm 140 fb⁻¹ từ Run 2 ở năng lượng 13 TeV và 56 fb⁻¹ từ Run 3 ở 13,6 TeV 35.

Tốc độ tín hiệu đo được là:

[
\mu_{HH}=2,6\pm1,4
]

Giá trị trung tâm tương ứng với tốc độ tạo cặp Higgs cao gấp 2,6 lần dự đoán của Mô hình Chuẩn. Tuy nhiên, độ bất định lớn khiến kết quả vẫn có thể phù hợp với dao động thống kê.

So với giả thuyết chỉ có các quá trình nền, độ lệch đạt 2,6σ 5. Đây là dấu hiệu tương thích với sự xuất hiện của các sự kiện HH, nhưng thấp hơn nhiều ngưỡng thường được yêu cầu để công bố quan sát hay phát hiện trong vật lý hạt.

Đáng chú ý, khi so sánh trực tiếp với dự đoán của Mô hình Chuẩn, kết quả của ATLAS chỉ cao hơn khoảng 1,65σ 5. Vì vậy, dữ liệu hiện chưa cho thấy đáng tin cậy rằng tốc độ tạo cặp Higgs thực sự được tăng cường. Nếu độ lệch chỉ là một dao động ngẫu nhiên, nó có thể giảm xuống khi có thêm dữ liệu.

CMS siết chặt giới hạn đối với cặp Higgs

CMS cũng trình bày một phân tích độc lập, được cải thiện, trong cùng kênh (b\bar b\tau^+\tau^-). Kết quả này nâng độ nhạy đối với quá trình tạo cặp Higgs và phép thử tương tác tự liên kết Higgs 12.

Trong kết quả kết hợp gồm 172 fb⁻¹ dữ liệu Run 3 và 138 fb⁻¹ dữ liệu Run 2, CMS đặt giới hạn quan sát ở mức tin cậy 95%: các tốc độ tạo cặp Higgs lớn hơn khoảng 4 lần dự đoán của Mô hình Chuẩn bị loại trừ 67.

Đây là một giới hạn loại trừ, không phải phép đo xác nhận tốc độ tạo HH và cũng không phải bằng chứng về tín hiệu tự liên kết Higgs.

CMS cũng công bố riêng kết quả chỉ sử dụng 172 fb⁻¹ dữ liệu Run 3. Với mẫu này, giới hạn trên là 6,6 lần dự đoán của Mô hình Chuẩn; khi kết hợp thêm dữ liệu Run 2, giới hạn được cải thiện xuống 4,0 lần 67. Hai con số này không thể được xem là kết quả từ cùng một tập dữ liệu.

Vì sao tìm cặp Higgs khó đến vậy?

Tạo ra hai boson Higgs hiếm hơn rất nhiều so với tạo ra một boson Higgs đơn lẻ. Hơn nữa, các sản phẩm phân rã trong kênh (b\bar b\tau^+\tau^-) có thể bị bắt chước bởi nhiều quá trình thông thường tại Máy gia tốc hạt lớn (LHC).

Thách thức của các nhà vật lý không chỉ là tìm một vài sự kiện có vẻ giống HH. Họ phải chứng minh rằng toàn bộ phân bố của các sự kiện không thể được giải thích một cách hợp lý chỉ bằng những quá trình nền đã biết.

Để làm việc này, ATLAS và CMS sử dụng các phương pháp đa biến cùng các bộ phân loại dựa trên học máy. Những công cụ này tìm kiếm nhiều đặc điểm đồng thời, chẳng hạn hình học sự kiện, năng lượng và các dấu vết phù hợp với hai boson Higgs, nhằm tách tín hiệu cực hiếm khỏi nền áp đảo.

Cặp Higgs tiết lộ điều gì về tự liên kết Higgs?

Quá trình tạo cặp Higgs là phương tiện chính tại máy gia tốc để nghiên cứu tương tác tự liên kết ba điểm của Higgs, thường được mô tả bằng tham số (\kappa_\lambda). Tham số này cho biết mức độ tương tác của boson Higgs với chính nó so với dự đoán của Mô hình Chuẩn.

Đây là một phần quan trọng của thế Higgs—hàm mô tả năng lượng của trường Higgs và cách trường này đạt tới trạng thái chân không hiện nay. Các phép đo về một Higgs đơn lẻ có thể kiểm tra cách Higgs tương tác với nhiều hạt khác, nhưng không đủ để khảo sát đầy đủ cách trường Higgs tương tác với chính nó.

Nếu tốc độ tạo cặp Higgs khác biệt bền vững so với dự đoán, nguyên nhân có thể là:

• thế Higgs có hình dạng khác với Mô hình Chuẩn;
• tồn tại các hạt mới làm thay đổi quá trình tạo HH;
• có những tương tác mới chưa được đưa vào mô hình hiện tại.

Mối liên hệ với nguồn gốc khối lượng của các hạt cơ bản là gián tiếp nhưng quan trọng. Giá trị chân không khác không của trường Higgs góp phần tạo khối lượng cho các hạt cơ bản thông qua tương tác của chúng với trường này. Đo tự liên kết Higgs giúp kiểm tra cách trường được tổ chức quanh trạng thái chân không đó, chứ không chỉ kiểm tra việc một Higgs đơn lẻ có tương tác với các hạt khác như dự đoán hay không.

Một phép đo chính xác hơn cũng có thể cung cấp thông tin về độ ổn định hoặc tính siêu bền của chân không điện yếu, đồng thời mở ra khả năng nhận diện dấu vết của vật lý ngoài Mô hình Chuẩn.

So với kết quả kết hợp trước đây, bức tranh hiện nay ra sao?

Kết quả kết hợp dữ liệu Run 2 trước đây của ATLAS và CMS cho độ mạnh tín hiệu HH khoảng 0,8, với độ ý nghĩa thống kê 1,1σ. Kết quả này vẫn phù hợp cả với dự đoán của Mô hình Chuẩn lẫn khả năng chưa có tín hiệu riêng biệt. Giới hạn trên ở mức tin cậy 95% đối với tổng tốc độ tạo HH khi đó là 2,5 lần dự đoán của Mô hình Chuẩn 12.

So với bức tranh đó, kết quả ICHEP 2026 có tính chất đan xen:

• ATLAS đưa ra một phân tích nhạy hơn với độ lệch dương đáng chú ý, nhưng chưa đủ sức thuyết phục;
• CMS tiếp tục thu hẹp khoảng không gian dành cho các tốc độ tạo cặp Higgs quá lớn;
• hai kết quả chưa tạo thành một xác nhận chung về tín hiệu HH.

Dữ liệu tương lai sẽ quyết định tín hiệu ATLAS là gì

Câu hỏi quan trọng nhất hiện nay là độ lệch của ATLAS sẽ tăng lên hay biến mất khi có thêm dữ liệu. Nếu đó là hiện tượng thật, tín hiệu cần mạnh hơn và xuất hiện nhất quán trong các mẫu dữ liệu độc lập cũng như ở những kênh phân rã khác. Nếu chỉ là dao động thống kê, độ ý nghĩa của nó có xu hướng giảm.

Máy gia tốc LHC Độ sáng cao (High-Luminosity LHC) được lên kế hoạch nâng cấp để cung cấp một mẫu dữ liệu lớn hơn đáng kể cho các nghiên cứu Higgs. Khi đó, ATLAS và CMS có thể chuyển những giới hạn còn rộng hiện nay thành phép thử nghiêm ngặt hơn đối với tham số tự liên kết Higgs và hình dạng thế Higgs.

Kết luận an toàn từ ICHEP 2026 là: cuộc tìm kiếm cặp boson Higgs đã đạt độ nhạy tốt hơn, nhưng quá trình này vẫn chưa được quan sát với mức độ chắc chắn cần thiết.