《Nature Physics》刊发金沙990活动大厅袁丽副教授团队希格斯粒子宽度测量成果

作者: 时间:2022-10-26 点击数:

近日,我校金沙990活动大厅袁丽副教授团队,联合比利时布鲁塞尔自由大学、美国加州大学圣塔芭芭拉分校的相关团队,通过分析CMS实验数据,获得目前世界上最精确的希格斯粒子宽度测量结果,相关成果以“Measurement of the Higgs boson width and evidence of its off-shell contributions to ZZ production”为题,发表在《Nature Physics》期刊上。

粒子物理的标准模型是目前人类对微观物质世界最精确的描述。1964年布绕特、恩格勒、希格斯等预言一个新的粒子可以解释质量的起源,这种粒子被称为希格斯粒子,又称为上帝粒子。经过几代粒子物理学家的努力,该粒子最终于2012年由欧洲大型强子对撞机上的ATLAS实验和CMS实验同时发现,2013年恩格勒教授和希格斯教授共同获得诺贝尔物理学奖。

自希格斯粒子发现以后,对其基本性质的研究成为粒子物理领域内的重要科学前沿,其中希格斯粒子宽度是重要的基本性质之一,关系到真空稳定性、暗物质质量起源等当前最基本科学问题,然而实验上测量希格斯宽度面临非常大的挑战。标准模型预言希格斯粒子宽度仅为4.1 MeV,相当于其质量(约125 GeV)的1/30000,传统的质量分辨测量法和飞行距离测量法都远远无法满足希格斯粒子宽度测量的精度要求。理论计算表明,希格斯在壳(on-shell,即共振峰区域)事例和离壳 (off-shell,即共振峰以外区域)事例的信号强度的比值,反比于希格斯粒子的宽度,因此,实验上可分别测量这两部分事例的信号强度来间接测量希格斯粒子宽度。这一方法的难点在于希格斯离壳事例非常稀少,在CMS实验记录的超过一亿亿次对撞事例中,预计仅有约130个希格斯离壳事例满足筛选条件;而本底噪声污染严重,且信号与相同末态的本底事例存在极强的量子干涉效应。为此,研究团队针对稀有的希格斯离壳事例开展攻关,一方面开发出数据驱动的方法来准确估计各部分非相干本底的贡献,以最大限度减小系统误差,另一方面通过蒙特卡洛方法详细研究希格斯信号与相干本底的多个维度的干涉谱形,以从复杂的干涉谱形中分解出信号事例。经过逾4年的不懈努力,研究团队终于获得突破,首次观测到希格斯粒子离壳事例的实验证据,同时联合希格斯在壳事例,测量得到希格斯粒子宽度的中心值为3.2 MeV,上限5.6 MeV下限1.5 MeV,测量误差显著压低,是迄今为止最精确的测量结果。研究成果为进一步理解电弱对称性自发破缺机制和真空稳定性问题提供了强有力的帮助,同时也为探索超出标准模型新物理提供了重要参考。




左图:实验上观测到的希格斯粒子宽度的似然值扫描结果。 右图: 实验上观测到的希格斯粒子离壳事例信号强度的似然值扫描结果。


此项研究经过CMS合作组审核,于2021年10月发布初步结果后,立刻受到同行的广泛关注,被多家媒体报道,随后在欧洲核子研究中心以专题报告的形式进行展示。在2022年纪念希格斯粒子发现10周年的大会上,研究成果被欧洲核子研究中心评为希格斯粒子性质研究的十一项最重要的进展之一,同时入选《Nature》、《Nature Physics》 和《Nature Reviews Physics》挑选的合集《The Higgs boson discovery turns ten》。




研究成果被CERN News, SCI NEWS,环球科学等多家媒体报道


在此项研究中,金沙990活动大厅袁丽副教授担任分析负责人,带领团队完成了从分析框架搭建、分析策略的制定和实施,到物理结果的产出和验证等关键工作,与美国加州大学圣塔芭芭拉分校的博士后Ulascan Sarica共同完成了论文撰写,并负责回复审稿人的意见。北航博士生王翰文在此项研究中做出重要贡献,代表研究团队在CMS合作组内做总结报告。团队成员多次在国际会议中代表CMS合作组汇报研究成果。此项研究受到国家自然科学基金委、国家科技部、北航拔尖人才支持计划资助。


论文链接:https://doi.org/10.1038/s41567-022-01682-0


注:欧洲大型强子对撞机(LHC)是目前世界上能量最高的粒子加速器,CMS探测器是LHC上四个大型探测器之一。依托CMS探测器组建的CMS国际合作组,由来自约40个国家的200多个大学和研究机构的近4000名物理工作者和工程师组成。我国现有中国科学院高能物理研究所、北京大学、北京航空航天大学等8家单位参与CMS实验。北航CMS团队积极参与探测器的运行维护和物理研究,在希格斯粒子性质测量和新粒子寻找等热点课题研究中,近年来发表北航成员为主要作者(合作组论文作者按照字母排序,无第一、通讯作者,对论文作主要贡献者由合作组发言人书面说明)的合作组论文10余篇。

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