中国科大ATLAS实验组在首次发现希格斯玻色子衰变到双缪子证据的工作中做出重要贡献

    时间:2020-08-24 字体大小[]

      欧洲核子中心(CERN)于83日发布新闻稿[*]重点报道了在大型强子对撞机LHC上首次找到希格斯粒子衰变到双缪子末态证据这一突破性进展。LHC上的CMSATLAS实验获得的信号探测显著度[**]分别是3s2s;综合两者,探测到信号过程的证据确凿无疑(>3s),这是首次对希格斯粒子与第二代费米子耦合的直接探测,是一个全新的有里程碑意义的结果。中国科学技术大学ATLAS实验组在该项工作中做出了重要贡献。 

      希格斯玻色子在描述微观世界的粒子物理“标准模型”理论中扮演着举足轻重的地位,基本粒子与希格斯场发生相互作用而获得质量。希格斯玻色子与物质世界的本源以及宇宙早期演化息息相关,因此一直是粒子物理学理论和实验研究的核心之一。希格斯粒子的发现标志着标准模型的成功与完备,但自然界中还有如暗物质、中微子质量,以及宇宙正反物质不对称性等重大问题无法用标准模型解释。因此,粒子物理学家仍孜孜不倦进行前沿探索,希望打开通往更奥秘微观世界的大门。其中一个重要方向是围绕着希格斯粒子来展开的,旨在逐步揭示其本性及其与未知世界的联系,目前研究重心是利用ATLASCMS实验记录的独一无二的数据来研究该粒子与其余基本粒子的耦合。希格斯粒子与矢量玻色子以及第三代费米子中的陶轻子、顶夸克与底夸克的耦合相继被发现,测得的耦合强度与标准模型预言相符。对希格斯粒子与第一、二代费米子耦合的测量由于强度弱以及背景噪声大而非常困难;而在相关课题中,希格斯粒子与缪子的耦合测量最可期。

      此次报道中的ATLAS结果由数家单位合作完成,其中ATLAS中国组的中国科学技术大学、山东大学,和清华大学,系统性的参与了该项研究。ATLAS结果基于该实验采集的LHC所有13 TeV质子—质子对撞数据,结果已投稿[1],下面给出文章中有代表性的两张图:各信号区域按信噪比合并的双缪子质量谱(左);各信号区域测得的信号强度(右)。最新结果中采用的分析方法大多基于利用部分13 TeV数据而做的前期分析工作[2]并加以发展。中科大吴雨生教授与山东大学李海峰教授为文章[2]的共同联系作者,山东大学李海峰教授为[2]分析组负责人以及[1]工作前期负责人。 

      中科大ATLAS实验组在基金委、科技部、中科院以及中国科学技术大学的大力支持下,2015开始进行研究并做出重要贡献。对于文章[1],参与人员有陈烨(博士生),Dimitrii Krasnopevtsev博士后),朱莹春(副教授),吴雨生(特任教授)。陈烨与Dimitrii做了多项分析工作,涉及软件框架、缪子重建优化、信号系统误差,以及对全新VH分析道的研究;朱莹春为陈烨指导教师;吴雨生为该项目科大组负责人。对于文章[2],参与人员有刘彦麟(当时为博士生),吴雨生(特任教授)与赵政国(教授)。刘彦麟为主要数据分析人,负责该工作的大部分数据处理任务;吴雨生进行了核心系统误差研究;赵政国教授、美国密歇根大学周冰教授为刘彦麟博士的联合导师。文章[2]发表在PRL上并为编辑推荐文章;刘彦麟的博士论文涵盖该文章工作,并获得中国科学院优秀博士论文奖。 

      中科大ATLAS实验组是赵政国院士领导下的一支具有相当规模和凝聚力的稳定团队,目前包括11名教授副教授,2名特任副研究员3名博士后,近30名博士和硕士研究生。科大组成员负责或参与探测器建造、运行维护及性能研究、触发优化、末态重建性能的标定,和广泛的物理研究。在标准模型的精确检验和测量、希格斯粒子的发现和性质研究,以及超出标准模型的新物理的直接寻找的物理研究中,取得了多个以科大组为主导并得ATLAS国际合作组高度评价的重要物理结果。 

         

      文章链接: 

      [1] ATLAS Collaboration. A search for the dimuon decay of the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector, submitted to Physics Letters B (2020), https://arxiv.org/abs/2007.07830. 

      [2] ATLAS Collaboration. Search for the Dimuon Decay of the Higgs Boson in pp Collisions at √s = 13 TeV with the ATLAS Detector, Phys. Rev. Lett. 119, 051802 (2017), PRL Editors’ Suggestion, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.051802. 

        

      参考: 

      [*] https://home.cern/news/press-release/physics/cern-experiments-announce-first-indications-rare-higgs-boson-process 

      [**] 粒子物理实验寻找信号过程的正面结果以对应的统计显著度来表征:5s表明实验数据以99.99997%的概率排除信号来自背景噪声涨落的假设,而3s2s分别对应99.87%97.72%5s3s分别对应于“发现了信号过程”和“找到了信号存在的迹象”。 

        

      (粒子科学与技术研究中心、核探测与核电子学国家重点实验室、物理学院、科研部) 

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