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《物理评论快报》发表ATLAS合作组重质量新粒子态寻找的最新进展

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2020年12月18日在物理学权威学术期刊《物理评论快报》【Phys. Rev. Lett. 125 (2020) 251802上发表了在13万亿电子伏的质心能量下寻找重质量新粒子态的最新成果,基于希格斯底夸克衰变道与光子二体共振态全质量区扫描,给出了目前为止该过程最为严格的新物理统计限制。英超联赛买球对撞机实验团队与中科院高能物理研究所、爱荷华州立大学、杜克大学等团队紧密合作,在该工作中作出了主要贡献。李政道研究所粒子与核物理研究部的李政道学者李数研究员为该文章的合作组共同通讯作者(Contact Editor)。

希格斯玻色子于2012年在LHC上被发现后,对其性质的精确测量工作成为了目前LHC实验的主要物理目标之一。同时,希格斯粒子作为质量起源粒子,深刻联系着重质量区新粒子态、暗物质暗能量、电弱相变、对称性破坏、额外维度、宇宙演化等前沿课题,为探索超越标准模型的新物理现象开启了前所未有的新窗口。

底夸克衰变道是希格斯玻色子最大分支比的衰变道(~58%),是在万亿电子伏能区检验伴随希格斯新物理现象的常用“探针”。但是因为该衰变道在LHC强子对撞环境中拥有着极高的本底产生率和较差的信噪比,测量难度极大(其他底夸克本底事例率约为希格斯底夸克衰变信号的1000万倍以上),所以其标准模型产生过程直到2018年才在LHC实验中首次被发现。如何在高本底环境中尤其是在新物理现象较可能存在的高质量区、高动量区有效甄别希格斯底夸克衰变过程,是提高新物理寻找灵敏度的关键。

在重质量区寻找产生H+γ的新粒子态作为原创课题由李数研究员及其合作者于LHC实验中首次提出,并与中科院高能所、美国杜克大学等团队合作于2018年通过ATLAS实验的部分数据量(36fb-1)发表该课题首篇新物理寻找的文章(Phys. Rev. D 98 (2018) 032015)。在本次新发表的文章中,13万亿电子伏完整数据量(139fb-1)被采用的同时,实验团队引入了一种全新的算法,改为基于大半径强子喷注质心系来重新计算强子喷注组分动力学信息从而对次级喷注在该质心系下重新做底夸克甄别,相对于传统的大半径喷注重建与底夸克标定方法而言显著提高测量的信噪比(低质量区提高20%~50%本底排除率,高质量区提高10倍左右的本底排除率),并通过比希格斯数据样本统计量更高的正反顶夸克衰变数据样本来做刻度和系统误差分析。

新发表的文章所取得的成果,因为采用了4倍于2018年所发表结果的数据量,统计学预估可自动获得2倍左右的新物理统计排除限的改善。而该全新算法的应用于全质量区间(0.7~4万亿电子伏)获得了3~15倍的提高,即在该2倍增幅的基础上进一步获得了1.5~7.5倍的统计排除限改善。因此该结果的发表,不仅仅对于新粒子态衰变为希格斯+光子过程的新物理给出了目前最好的统计限制,同时也是通过希格斯底夸克衰变道寻找新物理的重要技术突破,对于其他类似的通过高质量、高动量区伴随希格斯底夸克衰变的新物理寻找研究都具有重要的借鉴意义。

ATLAS国际合作组拥有着全世界约38个国家182个研究机构约5500名合作组成员,物理文章署名作者约3000人。英超联赛买球李政道研究所和英超联赛买球现为欧洲核子研究中心大型强子对撞机的ATLAS国际合作组成员,团队负责人为杨海军教授,目前有7名教师、5名博士后、20余名研究生参与希格斯粒子性质测量、双玻色子物理、暗物质和其他新物理现象的寻找,以及缪子探测器升级等实验研究,相关工作获得了广泛的国际同行认可度。

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