交大团队参与研究 大型强子对撞机探测到新的希格斯粒子产生模式

欧洲核子中心和ATLAS以及CMS国际合作组近日公布了大型强子对撞机实验的最新成果：两个合作组都发现了希格斯粒子与顶夸克对的伴随产生态（称为“ttH产生态“）。这是希格斯物理乃至粒子物理研究领域的又一座里程碑。ttH产生态的发现使得人们可以对希格斯粒子和顶夸克的耦合（即“相互作用”）强度进行直接测量，这将大大增强人们对希格斯性质以及基本粒子质量产生机制的理解。这对粒子物理标准模型的发展以及新物理的寻找都会起到重要的作用。

 

 

图1: ttH产生态事例的可视化演示（来源： ATLAS国际合作组/欧洲核子中心）。该事例包含了两个光子（电磁量能器中的绿色网格）和六个粒子流（黄色圆锥，其中底夸克粒子流标为蓝色圆锥）。

图2: ttH产生态双光子测量道的动画演示（来源： ATLAS国际合作组/欧洲核子中心）。随着数据采集量的增加，ttH信号（红色突起部分）在双光子质量谱分布图中越发显著。

对ttH产生态进行测量挑战性很高，因为这是个罕见的物理反应过程，仅有1%的希格斯是伴随着顶夸克对产生的，而且伴随该信号产生了大量的顶夸克相关背景。希格斯粒子和顶夸克的衰变产物复杂多样（图1为ttH产生态事例示意图），ATLAS和CMS的研究团队对多个希格斯的衰变道（W/Z玻色子对，双光子，陶轻子对，底夸克对）进行了独立的分析（图2为双光子道测量结果的演示图），然后对各个分析的结果进行了综合统计分析从而得出了最优的测量结果。ATLAS合作组分析了2010-2017年所有的质子与质子对撞数据（对撞能量为7-13TeV），其测量结果的统计显著性为6.3倍的标准偏差（注：粒子物理领域一般把在统计上具有5倍标准偏差的结果称为“发现”），CMS合作组分析了2010-2016年的对撞数据（对撞能量为7-13TeV），其测量结果的统计显著性为5.2倍的标准偏差。

发现ttH产生态的物理意义毫无疑问是重大的，如同ATLAS国际合作组的发言人Karl Jakobs所说：“CMS和ATLAS合作组的测量结果说明希格斯玻色子对顶夸克的大质量起源起着关键性的作用。这个特性是标准模型的基石之一，现在人们终于能够首次在实验上证实这一点“。不仅如此，这个发现同时也开启了新的研究和分析方向。通过积累更多的数据，人们将能够对希格斯与顶夸克的物理特性进行更深入的研究，更新更精确的测量结果将对标准模型发出新的挑战并将开启新的机遇大门。

上海交通大学物理与天文学院粒子与核物理研究所的ttH研究团队（主要成员为李亮特别研究员，李兴国博士后以及胡舒旸博士生）参与了ATLAS国际合作组主导的ttH产生态的测量分析，对底夸克对反应道的测量结果有直接贡献（该反应道的较早期结果作为ttH产生态的首次实验证据之一已经发表在物理评论D上）。交大研究团队的该项工作得到了中组部“青年千人”计划以及国家自然科学基金委的资助。

李亮研究员1999年本科毕业于北京大学物理系，2005年获得美国威斯康辛大学麦迪逊分校，的高能物理博士学位。博士生期间在德国电子同步加速器研究所(DESY)进行电子和质子加速器(HERA)实验物理研究。2005年至2012年初在美国费米国家实验室(Fermilab)和加州大学河滨分校(UCR)从事万亿伏特(TeV)能级质子和反质子加速器(Tevatron)的相关物理研究工作。2012年获得“青年千人”计划支持回国后从事美国费米实验室的缪子g-2(Muon g-2)实验、大型强子对撞机(LHC)的ATLAS实验以及下一代正负电子环形对撞机(CEPC)的研究工作。

相关链接：

1. ATLAS国际合作组---发现ttH产生态的测量结果

2. CMS国际合作组---发现ttH产生态的测量结果

3. 欧洲核子中心---发现ttH产生态的新闻稿

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作者：李亮

供稿单位：物理与天文学院