科研進展

交大對撞機實驗團隊在矢量玻色子散射研究方面取得了系列重要進展

欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)上的ATLAS大型国际合作实验组于2019年10月15日在物理学权威学术期刊《物理评论快报》【Phys. Rev. Lett. 123(2019)161801】上发表了同号电荷WW玻色子对散射过程的首次发现,信号的统计显著度达到6.5倍标准偏差,即统计学上该信号是由本底噪声导致的概率小于百亿分之一。WZ玻色子散射过程的纯轻子衰变测量的统计显著度达到了5.3倍的标准偏差,发表在【Phys. Lett. B793 (2019)469】;VV玻色子(V =W/Z)散射过程的半轻子衰变道的统计显著度为2.7倍标准偏差,研究成果发表在【Phys. Rev. D100 (2019) 032007】。ZZ玻色子散射过程的纯轻子衰变测量的统计显著度达到5.5倍标准偏差【ATLAS-CONF-2019-033,初步结果已经公布,并将正式发表】。

左圖:LHC;中圖:VBS産生過程費曼圖;右圖:WW散射過程雙輕子不變質量分布

WZ散射过程(左图)和VV 散射过程(中图和右图)的BDT分布

ZZ衰變到四輕子(左圖)和ZZ衰變到兩輕子和兩中微子(右圖)的BDT分布

矢量玻色子散射(Vector Boson Scattering, 简称VBS,一般对于2à2过程而言)与矢量玻色子聚合(Vector Boson Fusion,简称VBF,一般对于2à1过程而言)是TeV能区对撞机物理中重要的前沿研究课题。在无希格斯机制作用假设下的标准模型预言中,纵向极化的W/Z矢量玻色子散射振幅将会随能量增加而发散,最终在TeV的高能区破坏幺正性。VBS与VBF过程既可以用来检验标准模型电弱相互作用的物理预期及电弱破缺机制,又可以用来检验希格斯机制在电弱融合、散射过程中的幺正化影响。同时可以用来探索除标准模型希格斯机制外的其他新物理机制存在的可能性,譬如新共振态、规范玻色子反常耦合及对VBS/VBF过程幺正性的影响等,具有重要的物理意义。但由于VBS过程的反应截面非常低,大约每十万亿次质子-质子对撞产生1个信号事例,在此之前从未在实验中被观测到。高能量和高亮度的LHC实验在Run2期间(2015-2018)积累了大统计量数据,为我们深入研究VBS稀有过程提供了难得的机会。

VBS過程的末態取決于兩個末態玻色子(W或者Z)的衰變方式,可以有純輕子、半輕子和純強子末態。純輕子末態信噪比高,是觀測VBS過程的理想末態,但其分支比小,接受度低,事例末態重建困難。半輕子末態由于本底高,利用高橫動量末態來壓制本底,主要用來尋找超出標准模型的新物理。純輕子末態和半輕子末態在VBS過程研究中具有很好的互補性。

上海交通大学2012年正式加入欧洲核子研究中心大型强子对撞机的ATLAS国际合作组,目前有7名教師,5名博士後,20余名研究生。参与希格斯粒子性质测量,双玻色子物理,暗物质和新粒子寻找,以及缪子探测器升级,并做出了重要贡献。团队获得了国家自然科学基金委重点国际合作与交流项目,科技部大科学装置前沿研究国家重点研发计划,上海市科委浦江人才计划等资助。物理与天文学院、李政道研究所ATLAS团队与中国科学技术大学、密歇根大学等团队紧密合作,对矢量玻色子散射的系列研究和发现做出了重要的贡献。

Monika Mittal、Elena Yatsenko,李数、郭军、杨海军等人对同号电荷WWàWW散射过程作出了重要贡献,负责了电弱高阶过程和QCD高阶过程相干性的物理研究及理论不确定度的估计,Elena Yatsenko担任该物理分析的国际评审组成员(Editorial Board)。

Elena Yatsenko和李数对WZ散射过程的分析作出了关键性贡献,负责了分析框架的搭建、信号与本底模拟和计算、理论不确定度计算等重要分析任务, Elena Yatsenko担任WZ分析的课题负责人。

汪晨亮、李京、Nataliia Kondrashova、Monika Mittal、郭军、李数、杨海军等人对WW/WZ/ZZ矢量玻色子散射过程的半轻衰变道首次测量作出了关键性贡献,总体负责了事例筛选优化、本底估计、 干涉效应计算等重要工作。Nataliia Kondrashova担任半轻子衰变分析课题负责人。半轻子衰变末态较为复杂,目前尚未达到较高的统计显著度,但玻色子强子喷注大张角标定法的创新引入及联合统计分析方法将为下一轮数据分析的改进奠定了重要基础。

李京同学负责ZZ玻色子散射过程中双轻子和双中微子末态的分析,担任note的编辑,10月9日在ATLAS 大会上代表分析小组做paper presentation。

李京:2015級研究生,2017年獲得國家留學基金委資助選派到美國密歇根大學物理系聯合培養,導師:楊海軍和周冰。

汪晨亮:2016级研究生,2019年获得国家留学基金委资助选派到法国马赛大学粒子物理中心联合培养,导师:郭军和Emmanuel Monnier。

Elena Yatsenko博士:2015年毕业于德国同步加速器研究所(DESY)与汉堡大学,曾于法国国家科學研究中心安纳西粒子物理研究所从事博士後研究,长期参与多项重要ATLAS实验前沿物理课题,尤其是对于标准模型的精确检验做出了突出贡献,时任上海交通大学物理天文学院博士後。获得粒子物理前沿卓越中心优秀博士後称号。

Monika Mittal博士:2016年毕业于印度Panjab大学,博士期间参与了CMS实验并获合作组Achievement Award,目前任上海交通大学物理天文学院博士後,从事电弱物理和超越标准模型新物理研究。获得粒子物理前沿卓越中心优秀博士後称号。

郭军特别研究員: 2009年博士毕业于美国纽约州立大学石溪分校;2009-2014年在美国哥伦比亚大学作博士後研究,2014年加入上海交通大学物理与天文学院。博士期间参加美国费米实验室D0实验组,对W玻色子质量的精确测量做出重要贡献。2009年起参与ATLAS实验组,负责ATLAS量能器监测和数据质量管理工作,并在重玻色子和重夸克新物理寻找方面做出重要成果。目前主要负责上海交大ATLAS缪子探测器升级项目和TeV新物理寻找等课题。

李数特别研究員: 2012年博士毕业于中国科学技术大学与法国马赛粒子物理中心;2013-2017年在美国杜克大学从事博士後研究;2017年起作为首位“李政道学者”加入李政道研究所。2009年起从事ATLAS实验前沿课题研究,历任ATLAS合作组蒙特卡洛验证组负责人(2015-2017),标准模型电弱物理组负责人(2017-2018),蒙特卡洛产生子研发组负责人(2018-2019);LHC电弱多玻色子物理组负责人(2018-)。

楊海軍教授: 2000年博士毕业于高能物理研究所和瑞士苏黎世联邦理工学院,2000-2012年在美国密歇根大学任博士後和研究科学家。2012年9月起加入上海交通大学物理与天文学院,创建对撞机实验组。2005年起参与ATLAS实验组,2009-2014年担任ATLAS大批量数据处理和分析联络人。2016年起担任ATLAS 中国组(科大-山大-交大-李所)的负责人,2018年起担任ATLAS大型国际合作组顾问委员会成员。2004年提出用BDT机器学习方法作粒子鉴别,已经广泛应用于大型强子对撞机实验,对希格斯粒子的发现和性质测量,以及新粒子的寻找做出重要贡献。

參考文獻:

Phys. Rev. Lett. 123 (2019) 161801

Phys. Lett. B 793 (2019) 469

Phys. Rev. D 100 (2019) 032007

ATLAS合作組對矢量玻色子散射研究進展作了相關的專題報導,

“New milestone reached in the study of electroweak symmetry breaking”:

https://atlas.cern/updates/physics-briefing/milestone-electroweak-symmetry-breaking

http://atlas.cern/updates/physics-briefing/weak-lightsabers