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

歐洲核子研究中心(CERN)大型強子對撞機(LHC)上的ATLAS大型國際合作實驗組于2019年10月15日在物理學權威學術期刊《物理评论快报》【Phys. Rev. Lett. 123(2019)161801】上發表了同號電荷WW玻色子對散射的首次發現(6.5倍標准偏差顯著度)。同時,WZ玻色子對散射也獲得首次發現(5.3倍標准偏差顯著度),成果發表在【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,成果发表在【Phys. Rev. D100 (2019) 032007】。ZZ玻色子散射過程的純輕子衰變測量的統計顯著度達到5.5倍標准偏差【ATLAS-CONF-2019-033,初步結果已經公布,並將正式發表】。交大相關團隊對該系列重要發現作出了主要貢獻。

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

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。该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。VBS过程的反应截面非常低,之前從未在實驗中被觀測到。高能量和高亮度的LHC實驗在Run2期間(2015-2018)積累了大統計量數據,爲我們深入研究VBS稀有過程提供了難得的機會。

上海交通大学物理与天文学院和李政道研究所先后加入ATLAS国际合作组。目前团队拥有7名教師,5名博士後,20余名研究生,主要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。李政道研究所、物理与天文学院ATLAS团队与中国科学技术大学、密歇根大学等合作者紧密合作,对矢量玻色子散射的一系列研究和最终发现做出了主要贡献。

交大团队的Monika Mittal(博士後)、Elena Yatsenko(博士後),李數、郭軍、楊海軍等人对同号电荷WWàWW散射过程作出了重要贡献,Elena Yatsenko担任该物理分析的国际评审组成员(Editorial Board)。Elena Yatsenko和李數对WZ散射过程的发现作出了关键性贡献,Elena Yatsenko担任WZ分析的課題負責人。汪晨亮(研究生)、李京(研究生)、Nataliia Kondrashova(博士後)、Monika Mittal、郭軍、李數、楊海軍等人对VV玻色子散射的半径子衰变测量做出关键性贡献,Nataliia Kondrashova担任VV分析的課題負責人。ZZ->ZZ散射過程目前亦取得超過五倍標准偏差最新成果並即將正式發表,李京代表合作組做了Paper Presentation

李數作为上海交大李政道研究所的李政道学者,2017年至今先后担任ATLAS標准模型電弱物理組負責人與LHC電弱多玻色子物理組負責人,直接領導和推動了該項重要研究的開展和具體分析工作的順利完成,作出了關鍵性貢獻。

郭軍是物理与天文学院特别研究員,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。目前主要负责交大ATLAS缪子探测器升级项目和新物理寻找等课题,并作出重要贡献。

楊海軍是物理与天文学院教授、李政道研究所兼职研究員,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国际合作组顾问委员会成员。提出的BDT机器学习方法广泛应用于LHC实验物理分析,对希格斯粒子的发现和新物理的寻找作出重要贡献。   

該系列工作獲得了上海市粒子物理和宇宙學重點實驗室,粒子天體物理與宇宙學教育部重點實驗室,國家自然科學基金委重點國際合作與交流項目,科技部大科學裝置前沿研究國家重點研發計劃,上海市科委浦江人才計劃等資助。

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