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LHC及其两个通用实验Atlas和CMS的主要目标是：（1）阐明电动对称性破坏的机理并找到相关的粒子，在粒子物理学中，这是Higgs Boson4,5,6;（2）搜索BSM物理学。
研究图1中广泛的过程的必要性在很大程度上推动了Atlas和CMS实验的设计。在扩展数据表1中显示了SM Higgs玻色子的生产横截面和质量为125.38 GEV的衰减分支部分。
LHC20旨在通过在极高的（8.3 t）超导电型偶极磁体中在高真空吸尘器中的强（8.3 t）超导偶极磁铁中产生的强大电场来加速质子，从而加速质子，从而加速7 TEV的能量。反射的LHC梁在大约2,800束中组织，其中包括每束1011个质子，分别为25 ns，导致交叉速率约为32 MHz。这两个质子梁被带入四个LHC实验的中心的碰撞中。在运行2中，PP达到2 GHz的相互作用率。在每个束交叉口中，多对质子相互作用，平均数量范围从2012年的21到2018年的32。这些数字在触发的相互作用上超级构成，并被标记为“堆积”。
在1990年代初期，在紧凑型MUON螺线管（CMS）实验的设计阶段，非常重视高能电子，光子和MUON的识别和测量，因为这些颗粒预计在寻找SM HIGGS Boson和搜索BSM Physics中的搜索方面将起着重要作用。
由于在高亮度强度强子壁壁上的能量雄性的生产速率非常大，因此使用MUON的在线选择是一项特别艰巨的任务。必须实时测量MUON动量，并放置动量阈值以限制速率。这需要高弯曲功率（高磁场），并需要对MUON的轨迹进行充分的精确和健壮的测量。该考虑确定了CMS设计的起点，并暗示了分析磁体的选择，大小和功能。下一个设计优先级是由HIGGS玻色子通过其衰减H→γγ驱动的，需要出色的电磁热量表（ECAL）。MUON系统和ECAL将通过精确的内部跟踪系统进行补充，沉浸在高磁场中，提供良好的动量分辨率和强子量热计（HCAL）（HCAL），该量量量表几乎提供了量热量的覆盖率（例如，以搜索Higgs boson的质量，如果质量出现了大于500 GEV的质量）。
CMS检测器的纵向切割视图显示在扩展数据图1中。CMS检测器包括四个主要层：内部跟踪器，ECAL，HCAL和MUON系统。还指示了各种类型的检测元素及其通道计数。物理对象（例如，通过这四层中能量沉积和/或痕迹的模式的不同组合，可以识别物理对象（例如，电子，光子，哑光，夸克或Gluon喷气机等）。
CMS检测器的定义选择和中心元素是长（13 m），大型直径（约6 m），最先进的高场（3.8 t）超导螺线管，为内部跟踪器和MUON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法安装在电磁阀内。
颗粒从相互作用区域出现到内部跟踪器中，以圆柱体积为5.8 m，直径为2.5 m。颗粒首先遇到像素探测器，在枪管区域的三（四个）圆柱层配置，在2017年（之后）之前的末端式区域中的两个（三个）磁盘。像素探测器在桶形区域的10个同心硅孔中，具有10厘米长或20厘米的硅胶硅片，并围绕10厘米的硅胶。地区。在弯曲平面中以约15μm的精度测量点。几何覆盖率向下延伸至与光束线9°的角度。
ECAL采用密集的铅钨闪存晶体。每个晶体的长度约为23厘米，足以包含高能电子和光子淋浴的全能量。产生或收集的光的量与入射粒子的能量成正比。晶体的细小横向尺寸意味着电磁淋浴的能量分布在一个从9（3×3）到25（5×5）晶体范围内的晶体簇上。ECAL的几何覆盖范围与光束线约6°。
大约7,000个通道的HCAL是约5厘米厚的黄铜吸收板和约4毫米厚的闪烁板板的三明治。淋浴中的带电颗粒在吸收板中产生，横穿闪烁板板并产生光纤维收集和引导的光，并将其引导到光电探测器上。HCAL的几何覆盖范围与光束线约6°。非常正向的量热计增强了这种覆盖范围，其中包括嵌入基质排列的石英纤维的铁吸收器。阵雨中的相对论带电颗粒穿越纤维并产生Cherenkov的光，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与光束线约0.75°的角度。强子量热法的厚度足以吸收几乎所有高能量的辐射的能量。
MUON（和中微子）是通常到达兆系统的唯一颗粒。所有其他颗粒几乎将其所有能量沉积在量热计中，因此被称为吸收。除了内部跟踪器内部的测量值外，在气离室中第二次测量了MUON的动量。这些腔室是在四个“站”中组织的，这些“站点”的精度约为150μm，并生成轨道段，其方向的方向在线测量，角度为5 mrad。一组独立的气化室提供了约3 ns的信号正时分辨率，有助于触发过程。MUON系统的仪器几何覆盖范围降低到距光束线10°的角度。
由于每秒大约3200万梁交叉口的数据需要记录以后使用的数据，要付出高昂的代价，因此使用特定的过滤器（称为触发器）来选择最有趣的过滤器。部署了一个在线两层触发系统26,27，第一层（1级）是基于硬件的，第二层（高级或HLT）是基于软件的。1级使用自定义硬件，该硬件从热量表或Muon室处理粗略的信息来选择每秒约100,000个感兴趣的交叉口，相当于减少约400倍。如果在量热仪中的能量沉积或MUON的动量（Muons中的动量），则选择了感兴趣的交叉点。在发行1级触发器并在固定的潜伏期不足4μs之后，“触发”交叉点的所有数据都从约1亿个探索器电子通道中的管道记忆中卸载。这些数据在地下“服务”洞穴中的电子设备中进行了适当的处理后，以大约1,000个光纤的碎片为碎片，并将其送入商业电信“开关”。该开关将各个碎片汇总在一起，将它们放在一起，“建立”事件，并将活动送入大约50,000个CPU内核的计算机农场中的下一个可用的中央加工单元（CPU）核心。基于拓扑和运动学信息，实时实时实时，用于快速处理，重建物理对象，为永久存储大约1,000个事件或交叉选择，根据拓扑和运动学信息进行了优化（扩展数据表3）。
CMS实验会产生大量的碰撞和模拟数据。要处理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协作成员提供通用的数据访问。
来自存储事件的数据将转移到CERN主站点上的Tier-0中心，在那里执行了第一个处理阶段。然后，此阶段的结果分配给全球其他七个主要中心，标有Tier-1中心，以进行离线分析。TIER-1S旨在通过改进的校准和对齐各种CMS子检测器进行进一步重建碰撞数据的任务，而Monte Carlo事件样本的产生和重建既是在Tier-1中心和基于大学的较小的位置，标记为“ Tier-tier-2中心”。
粒子流（PF）算法31在事件中重建并识别每个粒子，并通过优化的信息组合来自CMS检测器的各个元素。光子的能量是从ECAL中的测量中获得的。电子的能量取决于由追踪器确定的主相互作用顶点的电子动量的组合，以及相应晶体簇中的能量，包括所有Bremsstrahlung光子的能量在空间兼容与源自电子轨迹的能量。Muons的动量源自相应轨道的曲率。带电的哈子的能量是由在跟踪器中测得的动量以及匹配的ECAL和HCAL能量沉积物的组合确定的。中性辐射的能量是从相应校正的ECAL和HCAL能量中获得的。
由夸克或胶子引起的辐射喷射是由由PF算法重建的所有粒子在大约25°的半角圆锥体内重建的所有颗粒，其中心是由射流中所有粒子的矢量总和确定的。
自2012年希格斯玻色子发现以来，CMS实验已引入了一些改进。这些都包括：
主物理对象必须具有横向动量或能量高于设定阈值的能量。阈值降低了第二个或任何其他对象。这些阈值的典型值在扩展数据表3中列出。
希格斯玻色子衰变产生的瘦素和光子预计将被其他颗粒陪伴。据说他们是“孤立的”。隔离标准是通过在物体方向周围约20°开头的圆锥体中不需要额外的能量颗粒而施加的。除了B和C Quarks或τLeptons的衰减外，颗粒预计将直接从主要相互作用顶点出现，该顶点定义为与在线选择确定的PP碰撞相对应的顶点。
Increased use of regression and classification algorithms implemented using machine-learning methods, such as deep neural networks (DNNs) and boosted decision trees, led to a simultaneous increase in purity and in efficiencies of identification and reconstruction of physics objects (electrons, muons, photons, b quarks, τ leptons, jets and ), and improvements in the calibration of related kinematic可观察到。
所有分析都广泛使用了信号和背景过程的蒙特卡洛模拟。CMS检测器在软件代码中精确描述，用于生成蒙特卡洛事件样本。包括多个相互作用，这些相互作用与数据中观察到的堆积相互作用数量的分布相匹配。然后，所有模拟事件样本将通过与碰撞数据相同的软件程序和过程链进行处理。模拟样本用于评估或确定几何接受，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，以及为许多增强决策树算法和DNN的培训。
在扩展数据图中显示了单个衰减通道中最终状态颗粒不变质量的分布。3和4。
对于H→γγ，通过测量平滑下降的背景分布上的窄信号峰来提取信号42。尽管其小分支部分（0.23％），但由于测量光子能量的出色精度，该模式是一种敏感的模式。双键量不变质量分辨率为。所有主要生产模式都可以研究（GGH，VBF，VH，TTH和TH）。背景在很大程度上是由两个光子产生的量子染色体动力学（QCD）产生的一种不可证明的。还有一个可简化的背景，其中一个或多个重建的光子候选物源于对喷气片段的错误识别，这是由QCD Compton散射的QCD Compton散射所主导的。
H→ZZ→4衰减通道的研究使用Z实量的独特衰减对带电的leptons（），导致最终状态为4E，或4μ或2E2μ（参考文献43）。该信号在光滑和小的背景的顶部显示为狭窄的峰。MUON（电子）的动量（能量）测量足够精确，足以给出不变的质量分辨率。背景包括由非共振的两个Z实量或Zγ*产生的不可约束的部分，以及由Z+ Jets和顶级配对事件的产生降低的部分，其中喷气机起源于重夸克，因此可能包含带电的lept子，或者可能包含带电的lept子，或者被误认为是带电的lept子。由于H→Zz（2.71％）的小分支部分以及随后的Z→（每Lepton类型3.37％）衰减，因此此过程的事件产量很小。为了增强背景上的信号并分类事件，基于基于矩阵元素可能性方法的信号和背景事件预期的生产和衰减运动学的判别因素与粒子的不变质量一起使用。
扩展数据图2（顶部）显示了候选H→ZZ→ZZ→EEμμ的显示，在PP碰撞中以质量中心的能量产生并记录在CMS检测器中。
对于H→WW→νν，两个高点和大型表征了最终状态44，并受益于H→WW衰减，具有最大的分支分数之一（约22％）。由于存在两个中微子，因此不可能计算WW不变质量。但是，可以从带电的瘦素和。颗粒集合的横向质量平方定义为。主要背景是由不可约合的非谐波生产产生的，并根据数据估算。该通道对GGH和VBF生产过程具有良好的敏感性。在分析中，还包括类别，这些类别对Higgs玻色子的产生敏感，与衰减的vector玻色子有关。该分析并不针对TTH和TH生产模式，这些模式由“与多型TH和TH”中讨论的专用分析所涵盖。
在平滑下降的背景分布上寻找H→Zγ信号45。该分析将Z玻色子的衰变靶向2e或2μ。为了提高对信号的敏感性，事件根据生产模式分为不同的类别。多变量分析（MVA）技术用于进一步对具有高和低信噪比比率的区域进行分类。主要背景是由与初始状态光子相关的Drell-Yan Dilepton产生。
对于H→ττ，研究了四个不同的ditau最终状态46：eμ，eτh，μτH和τhτh，其中τh指的是强发腐烂的τlepton。该衰变通道的分析针对GGH，VBF和VH生产模式。τh候选者的识别使用DNN判别因子拒绝被误认为为τh的夸克喷气机。为了将H→ττ信号事件与不可还原Z→ττ事件的巨大贡献分开，使用了系统重建质量的可能性估计。该分析不是针对TTH生产的，这是由“与多卵石”中讨论的专用分析所涵盖的。
H→BB衰减通道迄今为止所有考虑的衰减通道中最大的分支部分，大约60％的希格斯玻色子以这种方式衰减。QCD生成的B射流的背景非常大；因此，已选择具有特殊特征的最终状态以提高信噪比47,48,49,50,51。
为了选择最有可能源自B夸克的喷气机，使用了DNN算法75,76。它提供了连续的判别分数，该得分结合了B Quark喷气机的典型信息，例如从主要顶点流离失所的轨道的存在，鉴定出二级顶点以及射流中的低PT瘦素。设置了判别分数的阈值，以使光（U，D和S）夸克或胶子的错误识别率很低。例如，将此错误识别率设置为0.1％，当在顶级夸克 - 安提克公园事件中应用于喷气机时，B Quark Jet识别效率为50％。
VH生产模式使用矢量玻色子腐烂或大型的一个或多个瘦素的存在。在信号敏感的区域中，DNN用于将信号与QCD多射流产生主导的背景区分开。
TTH和TH的生产模式包括在组合中，MVA技术用于将信号与大型多捷克背景区分开。该分析使用2016年数据集。
最后，包括包容性分析，该分析是针对大型PT生产的Higgs玻色子（参考文献51）。在这个运动学区域，信噪比的比率更大。高度洛伦兹（Lorentz）增强的希格斯玻色子（Higgs Bosons）腐烂的两个b喷气机在空间上接近，并以独特的内部结构形式出现在检测器中。
扩展数据图2（底部）显示了候选H→BB事件在pp碰撞中产生的质量中心能量，并记录在CMS检测器中。
在平滑下降的背景上，将H→μ信号搜索为Dimuon质量分布中的峰值52。Dimuon不变的质量分辨率为。该衰减通道的分析针对GGH，VBF，VH和TTH生产模式，并且在前两种模式中最敏感。这个衰减频道中最大的背景来自Drell-Yan Dimuon的生产，其中一个外壳Z* Boson腐烂了一对Muons。事件根据其运动学特性分为生产模式。为了提高分析的敏感性，在每个不同类别中都使用MVA技术。
最近提出了对VH生产模式下H→CC最终状态的分析（图1C）74，但尚未包含在当前组合中。该分析在95％Cl下产生PB。发现κ的95％CL间隔（预期上限）是（），迄今为止最严格的。在VZ事件中搜索Z→CC用于验证分析策略，并在强子对撞机上对此衰减通道进行首次观察，其显着性为5.7 S.D.
在Higgs Boson和Higgs Boson和Top Quarks随后将最终状态腐烂到最终的leptons53的情况下，研究了Higgs Boson与顶部夸克的TTH（图1d）和Th（图1E，F）生产通道，该渠道被研究了Higgs玻色子与顶级夸克的耦合。模式。
该分析使用基于瘦小和/或τh候选者的数量进行分类，以靶向不同的希格斯玻色子最终状态和TT衰减通道。至少有两个瘦素，或一个Lepton和两个τh候选者的类别，目标案例至少有一个顶部夸克通过leptonly腐烂的w boson腐烂。具有一个Lepton和一个τH的类别，或没有瘦素和两个τh候选者的类别来针对事件，在该事件中，两个顶部夸克都通过强调衰减的W型腐蚀性腐烂。该分析对H→WW，H→ττ和H→ZZ衰减通道敏感。采用了几种MVA技术来更好地分离TTH和TH生产模式。
除了“耦合修饰符的κ框架”中讨论的无形Higgs玻色子衰变外，其他BSM衰减也可能成员进入未检测到的颗粒。也就是说，这些粒子可能会或可能不会在CMS检测器中留下痕迹，但是我们没有专门的搜索来寻找这些特征。然而，可以通过减少SM衰变的分支分数的减少来间接推断出未发现的衰变的存在（或通过Higgs Boson宽度增加）。在这种解释中，总宽度变为未发现颗粒的分支部分。
为了探测希格斯玻色子的看不见或未发现的衰减，可以执行另一种拟合，包括和其他浮动参数，同时将其作为κW和κZ上的上限为κW和κZ的SM值，在SM77,78的大多数提议扩展中也有效。从扩展数据图8（右）可以看出，发现与零一致。发现95％Cl上限的上限为<0.16，对其他κI拟合值只有很小的变化，如扩展数据所示图8（右）。将来将使用Higgs玻色子的宽度68的测量值来限制这些数量，而不会对κW和κZ施加界限。
用于构建所有渠道组合的统计框架是基于建立的组合可能性方法（参考文献40和其中的参考文献），并在本节中简要详细介绍。
鉴于LHC在LHC产生的大量PP碰撞数量，并且其中一个碰撞将产生信号的事件的可能性相对较小，数据中的观察结果由Poisson概率函数描述，其中k是观察到的事件的数量，并且参数λ是一个特定的bin或更多用于分布的事件的参数λ，则可以进行分布或更多的传统范围。合并的可能性是从单个泊松概率函数的乘积获得的，占所有通道中观察到的数据和预期事件的数量。
参数λ是感兴趣的模型参数的函数：μ，代表HIGGS玻色子耦合或信号强度，以及滋扰参数θ，它模拟了系统不确定性对预测信号和背景贡献的影响。由于外部测量值，例如能量和动量尺度校准或集成的光度测定，还包括在合并的可能性中包含其他术语，以表示对滋扰参数的约束。本文报告的测量结果是使用剖面的可能性比，其中且是感兴趣的参数和令人讨厌的参数的值，这些参数可最大程度地提高可能性，并且是令人讨厌的参数的值，可最大程度地提高固定值的可能性。一组测量值及其相应的SM预测之间的兼容性报告为p值，这些p值来自QSM和QSM之间的差异。预期间隔源自Asimov数据集，其中滋扰参数设置为其最大似然估计器值。
使用“ CLS Criterion” 40的修改后的似然比测试统计量具有约束，用于在信号强度和生产横截面上设置95％CL上限。
所有报告的置信区间，置信区和P值均可在（修改）似然比测试统计统计中的各种渐近近似值中获得。每当事件产量很小或不满足特定有效性条件时，渐近假设的有效性已经常在单个分析的背景下进行检查。
对于在模式I中产生并腐烂到最终状态F的HIGGS玻色子，信号事件的产量与σi是生产横截面成正比的，是衰减分支分数。分支部分又由γF是最终状态F和γH的部分衰减宽度和Higgs玻色子的总自然宽度所给出的。
拟合是在不同的假设下进行的：每个总体信号强度，产生μ= 1.002±0.057；每个生产通道信号强度（带），图2（左）；每次衰减模式信号强度（带有）图2（右）；并具有每个单个生产模式和衰减通道组合的免费参数，如扩展数据中所示。
在扩展数据中显示了每个生产模式和每个衰减通道μF的拟合信号强度的协方差矩阵图5。
BEH场（ϕ）的势能由第一项说明Higgs Boson MH的质量。第二项代表强度λ的希格斯玻色子自我互动。在SM中（在与其最小值相对应的BEH场的真空期望值的位置）中，可以通过研究Higgs玻色子对生产来测量。第三项代表了一个点上四个希格斯玻色子的相互作用，这一过程甚至比其对生产更稀有。对潜在V的确切形状的了解对于理解早期宇宙中发生的相变及其后果80至关重要。
搜索Higgs玻色子对生产是通过组合Higgs Boson对进行的，每个对玻色子对具有不同的衰减模式。所使用的衰减模式为BB，ττ和WW57,58,59,60，受益于大型分支分数，以及γγ61和62，从而受益于狭窄的质量峰，从而提高了信噪比的环境比。所有分析的最终状态均定义为相互排斥，因此可以将它们正确合并为统计独立的观察结果。
希格斯玻色子对生产的测量用于限制希格斯玻色子自我交互强度λ。在此搜索中，使用了单个希格斯玻色子衰变模式的几种组合。当两个希格斯玻色子腐烂到b Quark对，HH→BBBB时，Higgs Boson对的产生的最高速率发生，而HH→BBB，对应于SM中所有可能的HH衰变的35％。
在4B衰减模式57,58中的搜索是根据或不假设分别执行的。在这种情况下，每个希格斯玻色子都充满活力（因此被据称是增强的），因此其衰减产物，例如B Quark Jets，合并并作为一个宽阔的喷气机，但具有独特的内部结构。在后一种情况下，所有四个B夸克喷头很少重叠，因此据说已经解决。
另一组分析目标是HH最终状态，其中一个H持续到B夸克，而另一组为ττ59，γγ61或62。分析针对一组具有HH→（ww）的多动子态的分析，HH→（ww），HH→（ww）（ww）（ww）或HH→（the）60（the coust）60（ww）。
如图9（左）所示，适合Higgs玻色子对生产数据可用于同时约束κλ和κ2V。
单个希格斯玻色子产生和衰减的测量也可以用来限制κλ作为量子校正对sm higgs玻色子产生模式和衰减通道取决于κλ（参考文献81,82）。这些校正已得出了输入组合的不同产生和衰减模式的校正83，如扩展数据2所示。
从单个和成对的希格斯玻色子产生中提取的κλ的值在扩展数据中显示了图9（右）。
为了利用LHC的全部潜力，将升级加速器及其实验。HL-LHC的瞬时光度为5×1034 cm-2 s-1。目的是收集比初始LHC相预见的300 FB -1的数据多十倍。这意味着集成的辐射水平将相应更大。
要研究的物理学推动了升级的技术选择。物理目标是：
这些物理目标转化为实验设计目标需要：
HL-LHC的升级CMS实验将比当前的实验更强大。预计希格斯玻色子特性的许多测量中的不确定性有望接近百分比水平，从预期的较大的事件样本中受益，减少了实验性系统不确定性和更准确的理论计算。
我们分析中使用的理论作品可以在LHC Higgs横截面工作组报告36,37,38,39和参考文献中找到。54,56,84,85,86,87,89,90,91,92,92,93,94,95,96,96,97,98,99,99,99,100,101,102,102,103,104,105,105,106,106,107,108。
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文章不错《发现后十年的CMS实验的希格斯玻色子肖像》内容很有帮助