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交大ATLAS实验团队在希格斯玻色子研究方面取得重要进展

2022年7月4日,欧洲核子研究中心CERN举行专题研讨会,隆重庆祝希格斯玻色子发现十周年。同期《Nature》杂志刊登了大型强子对撞机LHC 上ATLAS和CMS合作组关于希格斯玻色子研究的最新成果,并被选为封面进行重点报道(见图一)。ATLAS论文的题目为《A detailed map of Higgs boson interactions by the ATLAS experiment ten years after the discovery》,论文细致刻画了希格斯玻色子与基本粒子的相互作用,实验结果表明希格斯的性质与标准模型理论的预期吻合[1]。这是继2012年7月4日在LHC的ATLAS和CMS实验上发现希格斯玻色子十周年后希格斯性质精确测量的重要里程碑。希格斯玻色子的发现揭示了基本粒子质量起源之谜,证实了电弱对称性自发破缺机制,为粒子物理标准模型奠定了最关键的基石,被《Science》杂志评为2012年度最重大的科学突破,同时为2013年诺贝尔物理学奖提供了最直接的实验证据[2,3]

图一:Nature封面-希格斯发现十周年(左图);粒子物理标准模型(右上图);欧洲核子研究中心CERN大型强子对撞机LHC,周长约27公里,位于瑞士和法国边境的地下隧道里;质子与质子对撞的质心系能量为13万亿电子伏特(13 TeV),这是当今世界上规模最大、能量最高的强子对撞机(右下图)。

粒子物理标准模型中基本粒子通过与希格斯场相互作用获得质量,希格斯场与粒子的耦合强度与粒子质量具有正相关。希格斯场的量子激发产生希格斯玻色子,它既可以与W、Z等传递相互作用力的规范玻色子直接耦合(规范耦合),也可以与夸克和轻子等组成物质的费米子直接耦合(汤川耦合),同时希格斯玻色子之间可以直接耦合(希格斯的自耦合,双希格斯过程)。目前已知有四种基本相互作用力,电磁力(光子,自旋为1)、弱相互作用力(W/Z,自旋为1)、强相互作用力(胶子,自旋为1)和引力(引力子,理论预言其自旋为2),如图一左上所示。标准模型中自旋为整数的基本粒子都对应一种相互作用力,而希格斯玻色子作为唯一自旋为零的基本粒子,人们很自然地认为希格斯玻色子对应一种全新的相互作用力,但是对其性质知之甚少。

深入研究希格斯玻色子的性质对揭示新相互作用力的本质、理解电弱对称性破缺机制和宇宙早期演化有着深远的意义。对希格斯玻色子的势能分布研究有助于理解宇宙真空态为何处于亚稳态,这是研究宇宙早期演化过程中电弱相变类型的重要手段,进而探索宇宙中正反物质不对称之谜等重大科学问题。希格斯粒子是基本粒子质量的起源,同时也可能是暗物质质量的起源,它可能是通往暗物质世界的“窗口”。因此对希格斯性质的深入研究是LHC、高亮度HL-LHC实验以及未来高能正负电子对撞机 -“希格斯工厂”(譬如中国的CEPC、欧洲的FCC、日本的ILC等大型对撞机项目)的最重要物理目标之一。

从希格斯发现至今十周年,ATLAS 合作组收集了约 30 倍的希格斯玻色子数据(Run2,139/fb),从而实现了更高精度实验测量和对理论更为严格的限制。最先在LHC实验上发现希格斯玻色子是通过ZZ,gg和WW衰变过程[2,3],完美展现了希格斯与规范玻色子耦合。2015年首次观测到希格斯与第三代轻子(陶子t)的汤川耦合,2018年发现了希格斯与第三代重夸克(顶夸克 t和底夸克 b)的汤川耦合[4]。目前正在寻找希格斯与更轻的第二代费米子耦合(粲夸克 c和缪子m),其中希格斯与缪子相互作用的汤川耦合迹象随着数据量的增加正在逐步显现并逼近发现阈值。

ATLAS合作组通过统计拟合方法,联合希格斯玻色子主要产生过程(ggF, VBF, VH, ttH, tH)和衰变末态(H→γγ, ZZ, WW, ττ, bb, ??, Zγ)提升测量精度,精确测量希格斯的产生截面和衰变分支比,并深入研究了希格斯与基本粒子的相互作用耦合强度(见图二)[1]。实验测量结果表明,希格斯玻色子性质与标准模型理论的预期吻合,对新物理模型进行了严格的约束。

图二:希格斯玻色子的产生截面(左图),希格斯和基本粒子的耦合强度与粒子质量的关系(右图),实验结果与标准模型预期值吻合[1]。

亚搏全站手机客户端和李政道研究所ATLAS团队中对Nature论文希格斯物理联合分析做出直接重要贡献的成员包括[1](参见ATLAS内部论文):

杨海军(H→ZZ,VH→γγ[5],寻找重质量希格斯H→ZZ [6],2016年起指导王子瑞开展希格斯物理联合分析)

刘坤(H→bb,ttH[4],希格斯联合分析)

李数(H→bb[4],希格斯蒙特卡洛全局模拟与样本产生)

博士后李昌樵(H→bb[4],希格斯联合分析)

研究生王子瑞(VH→γγ[5],希格斯联合分析,导师:杨海军,已毕业)

研究生朱逸凡(致远荣誉计划,希格斯联合分析,导师:杨海军)

王子瑞(现密歇根大学博士后)担任希格斯物理联合分析的两名负责人之一(analysis contact),主要负责统计拟合软件开发,模型关联性建立和耦合参数拟合等,将代表ATLAS合作组在国际高能物理大会(ICHEP,Bologna, Italy, July 6-13, 2022)报告最新的希格斯物理研究进展。李昌樵担任希格斯联合分析内部论文的两名编辑之一(note editor),主要负责希格斯产生截面和衰变分支比拟合,及相关图表绘制;开发分析软件大幅提高希格斯联合分析和参数拟合效率等,将代表合作组在ICHEP大会上以Poster形式介绍希格斯最新成果。朱逸凡对希格斯产生截面和衰变分支比的联合测量作出了重要贡献,由于当时朱逸凡还未正式获得ATLAS的authorship,合作组鉴于他的贡献破例将他列入Nature论文作者名单。

考虑到Nature论文联合了所有希格斯的产生和衰变过程的物理分析结果,交大团队中参与希格斯玻色子各种物理分析道或联合分析并对Nature论文做出间接贡献的成员还包括:

李亮(ttH→bb[4])

博士后Chikuma Kato(H→bb[4],Hbb物理分析框架负责人、希格斯物理验证项目负责人,出站)

博士后Nihal Brahimi(ttH→bb[4],现担任ttH-ML 物理分析的负责人 )

博士后Marc Cano Bret(H→ZZ[5],寻找重质量H→ZZ物理分析负责人[6],出站)

研究生李京(H→ZZ[5],寻找重质量H→ZZ[6],导师:杨海军,已毕业)

研究生张宇雷(单希格斯和双希格斯联合分析,导师:李亮)

研究生沈秋平(单希格斯和双希格斯联合分析,导师:杨海军)

图三:亚搏全站手机客户端部分团队成员在欧洲核子研究中心

参与ATLAS实验研究(2018)

亚搏全站手机客户端2012年正式加入欧洲核子研究中心CERN的ATLAS国际合作组,目前团队拥有7名教授或副教授(6位获得国家海外高层次青年人才),7名博士后,20余名研究生,深度参与希格斯粒子的发现和性质测量,双玻色子散射过程的发现,暗物质和新粒子的寻找,以及缪子探测器升级等。2017年,交大主办第五届大型强子对撞机物理大会(LHCP2017),杨海军教授担任大会主席之一。团队经过十年坚持不懈的努力,做出了一系列重要研究成果,在LHC大型国际合作组里具有较高的显示度。目前,团队聚焦标准模型单希格斯、双希格斯稀有过程研究希格斯的自耦合,以及联合测量分析。预计未来15年,高亮度HL-LHC将在现有基础上产生20多倍的对撞数据(~3000/fb)。大统计量数据,将极大提升希格斯玻色子性质测量精度及探索新物理的潜力,有望在基础科学前沿领域取得重大突破。

团队依托上海市粒子物理和宇宙学重点实验室,粒子天体物理与宇宙学教育部重点实验室,获得了国家自然科学基金委CERN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,国家海外高层次青年人才计划,上海市科委浦江人才计划等资助,在此深表感谢!

杨海军,2012年起任亚搏全站手机客户端教授,兼任李政道研究所李政道教授,现任粒子与核物理研究所所长,上海市粒子物理和宇宙学重点实验室主任。2012年创建对撞机实验组,并以亚搏全站手机客户端名义加入ATLAS国际合作实验组。2005年起参与ATLAS实验组,长期从事希格斯、双玻色子物理和新物理等前沿研究。通过H→ZZ→4l“黄金衰变道”分析直接参与发现希格斯玻色子,提出用ZZ衰变到四轻子的不变质量峰精确刻度希格斯质量;引入和发展多变量机器学习方法BDT[7] 并广泛应用于LHC实验希格斯发现和新粒子寻找,显著提升希格斯的信噪比和探测灵敏度,对希格斯的质量、自旋宇称、截面及耦合等性质联合测量做出突出贡献[1,2,3,5,6]。2009-2013年担任ATLAS大批量数据处理和分析负责人,2016-2020年担任ATLAS中国组负责人之一,2018-2019年担任ATLAS国际合作组顾问委员会委员,2017-2021年担任大型强子对撞机物理大会(LHCP)国际顾问委员会委员。2012年起参与发起和积极推动中国环形正负电子对撞机CEPC作为“希格斯工厂”和“W/Z玻色子工厂”,2020年起任CEPC项目副主任。

刘坤,2019年起作为“李政道学者”加入李政道研究所,并被亚搏全站手机客户端聘为长聘教轨副教授。2014年获中国科学技术大学和法国索邦大学联合培养博士学位,博士期间直接参与H→gg衰变道分析发现希格斯玻色子,做出重要贡献[2],并荣获ATLAS合作组博士论文奖。2014-2019年作为法国科研中心博士后研究员,先后在法国马赛粒子物理中心和巴黎高能物理与核物理实验室从事研究工作。曾担任希格斯与顶夸克对协同产生多轻子末态ttH→ML物理分析负责人(2015-2017)和希格斯衰变到底夸克对VH→bb物理分析负责人(2017-2019),对实验上发现希格斯与第三代夸克耦合做出突出贡献[4]。目前担任ATLAS实验电子-光子性能分析组中光子鉴别小组召集人、希格斯物理组中光子性能分析负责人。

李昌樵,2012年本科毕业于中国科学技术大学 ,2018年获中国科学技术大学和法国索邦大学联合培养博士学位,博士期间直接参与了多项重要ATLAS实验前沿物理课题,对于2017年H→bb的首次3倍标准偏差显著性测量、2018年ATLAS实验首次发现希格斯粒子到底夸克对衰变道信号、2019年在H→bb衰变道测量VH产生模式的精细截面作出主导贡献[4],并荣获中国物理学会高能物理分会“晨光杯”优秀论文奖。2020年起任亚搏全站手机客户端博士后,获中科院粒子物理前沿卓越创新中心“赵忠尧博士后”,担任希格斯《Nature》文章合作组内部论文编辑之一,ATLAS mono S→bb物理分析负责人之一,开展暗希格斯玻色子和暗物质粒子的寻找。

李数,2017年起作为首位“李政道学者”加入李政道研究所,并被亚搏全站手机客户端聘为长聘教轨副教授。2008年本科毕业于中国科学技术大学,2012年获中国科学技术大学与法国国家核与粒子物理研究所-马赛粒子物理中心联合培养博士学位,博士论文主导完成H→WW衰变道本底精确测量,对希格斯玻色子发现做出重要贡献[2];2013-2017年在美国杜克大学从事博士后研究;入选国家海外高层次青年人才、中科院粒子物理前沿卓越创新中心“青年拔尖人才”、北京大学高能物理中心“李政道青年学者”。2009年至今从事ATLAS实验前沿课题研究,历任ATLAS蒙特卡洛验证组负责人(2015-2017)与产生子研发组负责人(2018-2019),希格斯物理组Coordination成员与希格斯蒙特卡洛项目负责人(2016-至今),标准模型电弱物理组负责人(2017-2018);LHC(ATLAS+CMS+理论)电弱多玻色子物理组负责人(2018-2022);欧洲核子中心HL-LHC物理黄皮书编辑(2018-至今)。通过创新的动力学方法显著提高希格斯底夸克衰变质量谱测量精度,对希格斯底夸克衰变道首次发现作出重要贡献[4],同时负责希格斯物理组蒙特卡洛全局模拟与样本产生,为希格斯各衰变道物理分析提供全面支持。

参考文献:

[1] Nature 607 (2022) 52-59(ATLAS 内部论文, ATL-COM-PHYS-2022-027,共185页,署名作者72名,来自全球30个大学和研究机构,包括CERN,德国DESY,美国LBNL,BNL,密歇根大学,威斯康辛大学,华盛顿大学,法国巴黎大学,意大利INFN,荷兰NIKHEF,以及国内参与单位高能所、亚搏全站手机客户端、李政道研究所、中国科学技术大学、南京大学、山东大学等)

[2] ATLAS Collab., PLB 716 (2012) 1-29, Science 338 (2012) 1576-1582  CMS Collab.,     PLB 716 (2012) 30-61,Science 338 (2012) 1569-1575

[3] PLB 726 (2013) 88-119, PLB 726 (2013) 120-144, PRL 112 (2014) 231806, PRL 114 (2015) 191803

[4] PLB 784 (2018) 173, PLB 786 (2018) 59

[5] PLB 784 (2018) 345,PRD 98 (2018) 052005,PRD 101 (2020) 012002

[6] EPJC 78 (2018) 293, EPJC81 (2021) 332

[7] NIM A543 (2005) 577, NIM A555 (2005) 370, NIM A574 (2007) 342, JINST 3 (2008) P04004

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