ATLAS实验首次发现希格斯粒子最主要衰变过程中国科学家做出重要贡献

发布时间:2018-09-06    点击:2827

2018年8月28日, 欧洲核子中心CERN宣布ATLAS和CMS分别独立发现希格斯粒子到底夸克对的衰变[1]。观测到的信号显著性分别为5.4倍标准偏差和4.8倍标准偏差,即统计学上该信号是由本底噪声导致的概率小于千万分之一。这是世界上首次观测到的希格斯粒子衰变到底夸克对过程,也是2012年发现希格斯粒子以来,LHC实验最重要的物理成果之一。ATLAS实验中国团队(由高能所、中国科大、南京大学、山东大学、上海交大、清华大学组成)在这一重大成果中做出重要直接贡献。

希格斯粒子解释了自然界质量的起源,因此希格斯粒子也被称“上帝粒子”。希格斯粒子与夸克等费米子的相互作用力被称为汤川耦合(Yukawa coupling),是一种全新的基本相互作用力。理论计算表明,希格斯粒子衰变到底夸克对(H→bb)占希格斯粒子总衰变约60%,是希格斯粒子最主要的衰变过程。寻找和测量H→bb过程,对于理解希格斯粒子与费米子的汤川耦合,以及约束和测量希格斯粒子性质至关重要。然而2012年在玻色子末态发现希格斯粒子后的数年时间内,H→bb过程一直未被观测到。其原因在于,大型强子对撞机上含有底夸克对的本底过程非常高,是信号的一千万倍。在如此巨大的本底噪声中找出信号是一项极具挑战性的任务。

ATLAS实验中国团队早在2011年ATLAS实验刚开始就参与了H→bb研究。从2011年至今,历时七年多,在数据分析过程中广泛采用了多变量BDT方法提高b夸克的鉴别效率、信噪比和信号探测灵敏度。图1展示的是ATLAS实验得到的H→bb研究结果,其中红色直方图为Higgs粒子衰变到底夸克对的信号。

                                                                                                               

图1:底夸克对不变质量谱。黑点为扣除本底后的实验数据点,红色直方图是 H→bb 信号,灰色直方图是 Z→bb 过程。(图片来自: ATLAS 合作组/CERN)

此次ATLAS实验联合了多个希格斯玻色子产生过程的H→bb分析的结果, 其中包括W或Z玻色子伴随产生过程(VH),顶夸克对伴随产生过程(ttH),矢量玻色子融合过程(VBF),胶子融合过程(ggF)。如图2所示,VH过程是实验精度最高的分析道,根据W或Z玻色子的衰变末态,VH过程进一步分为Z(nn)H,Z(ll)H,W(ln)H三个子分析道。ATLAS实验利用统计方法综合了各个分析的结果,最终以5.4倍标准偏差的信号显著度首次发现H→bb衰变信号。

                                                                                                           

图2: ATLAS实验综合了VBF+ggF、ttH,VH产生过程的独立分析,结果最终发现H→bb衰变道。上图为这些分析道观测的信号强度相对于预期信号强度的比值,绿线为统计误差,黑线为考虑系统误差后的总实验误差。(图片来自: ATLAS 合作组/CERN)

 

从ATLAS实验于2011年第一期运行开始至今,南京大学、山东大学、中国科大、高能所、上海交大先后加入了希格斯粒子伴随W 或Z粒子产生和矢量玻色子融合过程的研究,在分析软件框架开发维护、信号选择条件、本底估计、系统误差分析等方面做出了重要贡献,有成员曾经担任了内部支持文档的撰稿人(Supporting Note Editor),在ATLAS合作组内做了物理结果“批准”报告(Approval talk),担任部分分析工作联系人等等。团队还在底夸克末态标记和能量修正方面做出了重要贡献,提高了分析的灵敏度和可靠性。

ATLAS实验中国组的研究工作得到基金委、科技部、教育部、中科院和各参加单位的长期联合支持。

 

 

[1]相关链接:

ATLAS和CMS 实验新闻发布(包含正式论文链接)

https://atlas.cern/updates/press-statement/observation-higgs-boson-decay-pair-bottom-quarks

http://cms.cern/higgs-observed-decaying-b-quarks-submitted