CMS实验中重质量希格斯粒子的寻找
2019-03-28

        坐落于日内瓦附近的欧洲大型撞机(Large Hadron Collider,LHC),是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器,是一种将子束加速到接近光速并撞的高能物理设备该设备位于瑞士和法国交界的侏山地下100米深、总长27公里的形隧道内,由原大型正负电撞机(LEP)升改造而成,100亿美元。其上建了四个探器,即凑型线圈(CMS)、超器(ATLAS)、底夸克探器(LHCb)、大型离子撞机(ALICE)。其中ATLAS和CMS是大型通用型的粒子探器,依托两个探器而分成立的合作都包含了来自40多个国家、100多个国著名高校或研究所的3000余名研究人  

  迄今为止,粒子物理学中最成功的理论当属标准模型(Standard Model,简称SM)。标准模型所预言存在的最后一个基本粒子(即希格斯粒子,Higgs Boson),于2012年7月,被LHC上的ATLAS和CMS两个实验同时发现[1,2]。这一重大发现被列为2012年十大科技进展之一,同时也被认为是粒子物理几十年来最重要的发现。提出希格斯机制的理论物理学家P. W. HiggsF. Englert也因此获得2013年诺贝尔物理学奖。虽然标准模型获得了巨大的成功,然而其仍然不是一个完美的理论,本身仍存在许多难以解决的问题,例如它无法解释中微子的质量不为零,也不能解释宇宙中存在的暗物质、暗能量等问题。因此,探索超出标准模型的新物理,是21世纪粒子物理学最重要的研究方向。其中,找重量的希格斯粒子是目前国际高能物理实验最热门的研究课题之一。  

在校领导的大力支持下,我校于2015年9月正式加入CMS合作组,成为继中国科学院高能物理研究所、北京大学之后,国内第三家正式加入CMS合作组的成员单位。加入合作组后,我校物理科学与核能工程学院的“卓越百人”袁丽老师带领CMS实验研究团队立即开展了寻找重质量希格斯粒子的研究工作。在一些超标准模型的理论中,除了125GeV发现的希格斯粒子,还预言存在其他的希格斯粒子。例如扩展的电弱单重态模型预言在更高质量区间存在其他的希格斯粒子,其性质与标准模型希格斯粒子相似。为此,研究团队选取了具有较大衰变分支比的双Z玻色子衰变至双轻双中微子末态开展数据分析工作。

利用CMS实验于2016年获取的实验数据开展分析,在200GeV ~ 3000GeV这一大范围的质量区间内,研究团队检验了5GeV10GeV100GeV三种不同的宽度假设下重希格斯粒子存在的可能性。通过数据与本底总和的对比,没有观测到明显的重质量希格斯粒子的信号。因而,在95%置信度水平下,研究团队给出了三种不同的宽度假设下重希格斯粒子的产生截面上限。联合四轻子末态以及双轻双喷注末态的数据分析结果,获得了130GeV ~ 3000GeV质量区间内目前世界上窄宽度重希格斯粒子产生截面的最严格的限制,如图所示,所得结果已发表在高能物理权威期刊《Journal of High Energy Physics》上[3]。虽然并未发现重希格斯粒子的显著信号,但在课题研究过程中,袁丽老师对原有的估计非共振态本底的分析方法进行了重要改进,例如收紧其中一类控制样本的选择条件,使其与信号区间的事例特征更为相似;优化重味夸克喷注的判选条件,增大控制样本的统计量,改善方法的稳定性等。该方法不需要借助模拟样本,可直接通过数据选取控制样本,依据不同味的衰变末态的事例等比关系推算出信号区间的本底事例及分布,从而有效减小了本底估计的系统误差,极大改善了最终结果的统计显著性。正是由于这项工作的重要贡献,袁丽老师随后被推选担任CMS合作组内双轻双中微子末态分析组的召集人。

重希格斯粒子衰变至ZZ末态在不同的质量及宽度假设下的截面上限分布图。横轴对应重希格斯粒子的质量,纵轴对应其宽度与质量的比值。  

物理科学与核能工程学院副教授E-mail: lyuan@buaa.edu.cn

参考文献

[1]ATLAS Collaboration, “Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC”. Phys. Lett. B 716 (2012) 1-29.  

[2]CMS Collaboration, “Observation of a new boson at a mass of 125GeV with the CMS experiment at the LHC”. Phys. Lett. B 716 (2012) 30-61.  

[3]CMS Collaboration, “Search for a new scalar resonance decaying to a pair of Z bosons in proton-proton collisions at √s = 13TeV”. JHEP 06 (2018) 127.