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ATLAS实验发现希格斯粒子底夸克对衰变道

六月 22nd, 2019  |  科学

7月9日,欧洲核子中心大型强子对撞机上的超环面仪器实验在ICHEP2018国际高能物理会议上公布了的最新成果:ATLAS合作组首次发现了希格斯粒子的最主要的衰变过程——正反底夸克对衰变。中国科学院高能物理研究所ATLAS组梁志均、石辽珊、刘波、娄辛丑在该项研究中作出了关键贡献。

希格斯玻色子赋予基本粒子以质量,并可以衰变成不同粒子。之前科学家们已经观察到其衰变成光子对、W玻色子对、Z玻色子和τ轻子对等过程。这些已经观察到的衰变虽有重要意义,但其在希格斯玻色子的衰变中只占不到30%,而希格斯玻色子衰变成一对底夸克,才是其最频繁发生的衰变过程,占比高达58%。观察到这一衰变过程将填补对希格斯粒子认知的一大空白,并将进一步证实解释夸克质量的希格斯机制。

由于强子对撞机上胶子背景事例数是信号的一千万倍以上,所以该衰变道一直无法被实验观测确认。此次ATLAS实验联合了多个希格斯玻色子产生过程的H→bb-bar分析的结果,其中包括胶子融合过程,矢量玻色子融合过程,W/Z玻色子对伴随产生过程,顶夸克对伴随产生过程。在联合的分析中,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-bar衰变道。

中国ATLAS组的各个单位对此次H→bb-bar衰变道的发现都做出了关键贡献。其中高能所副研究员梁志均带领其团队主导了矢量玻色子融合过程与胶子融合过程的H→bb-bar分析,他也被ATLAS合作组任命为该分析的负责人。高能所团队梁志均、石辽珊、刘波、娄辛丑在该分析的信号触发设计、背景拟合与信号提取等方面做出了主导贡献,并在ATLAS合作组中作了重要的报告。另外,高能所ATLAS组在ATLAS像素探测器的运行维护与数据获取方面做了重要的工作,而像素探测器是有效探测底夸克的硬件基础。

高能所ATLAS组的H→bb-bar衰变道研究工作得到中科院“百人计划”启动基金、中科院前沿科学重点研究项目、中组部“千人计划”、科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委国际合作与交流基金项目的资助。

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图:高能所团队主导在矢量玻色子融合过程与胶子融合过程中寻找H→bb-bar衰变的分析(CERN-EP-2018-140)。上图为在VBF+ggF过程中底夸克对的不变质量的分布。其中,H→bb-bar衰变过程在不变质量谱的贡献由红色直方图标出。

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