欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)上的ATLAS大型国际合作实验组于2023年2月9日在《Nature Physics》上发表了ZZ矢量玻色子散射的首次发现，统计显著度达5.7倍标准偏差[1]。该发现被ATLAS国际合作组作为重要成果专题报导，并被誉为“电弱对称性破缺研究的新里程碑”[2]。上海交通大学物理与天文学院、李政道研究所的ATLAS研究团队与中国科学技术大学、山东大学及美国密歇根大学等单位密切合作，对该发现作出了关键性的贡献。
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https://www.nature.com/articles/s41567-022-01757-y
图一：LHC鸟瞰图
图二：矢量玻色子散射费曼图
图三：四轻子衰变道
图四：两轻子+两中微子衰变道的BDT分布
电弱对称性破缺机制是当前粒子物理中最基本问题之一，而矢量玻色子散射（Vector Boson Scattering，简称VBS）过程与电弱对称性破缺紧密相关，因此对矢量玻色子散射过程的研究是认识和理解电弱对称性破缺机制的一个重要途径。在无希格斯机制作用假设下的标准模型预言中，纵向极化的 W/Z 矢量玻色子散射振幅将会随能量增加而发散，在TeV能区破坏幺正性。矢量玻色子散射过程既可以用来检验标准模型电弱相互作用的物理预期及电弱破缺机制，又可以检验希格斯机制在规范玻色子融合、散射的电弱过程中的幺正化影响，并且可以用来探索可能存在的、除标准模型希格斯机制外的其他超越标准模型的新物理机制。
为了研究矢量玻色子散射的过程，LHC将两束质子加速到光速的99.999998%进行剧烈碰撞。两束高速碰撞的质子内部夸克同时辐射出两个W或者Z玻色子，并在衰变为更稳定的粒子之前散射为另一对玻色子的过程，称为矢量玻色子散射。和其它物理过程不同，矢量玻色子散射过程中的夸克随着质子的碎裂飞入探测器中，这些原始夸克的残余物会在束流管附近形成喷注。这一特别的信号特征，也是筛选矢量玻色子散射过程的重要依据。考虑到W和Z玻色子非常重（分别为80GeV和91GeV），需要极高能量的夸克才能辐射产生，矢量玻色子散射过程属于非常稀有的电弱物理过程。在各种重矢量玻色子散射中（包括WW, WZ, ZZ散射），ZZ玻色子散射的产生截面最小（约0.7fb），比其他末态更加难以观测，因此是极具实验挑战性的稀有物理过程。这是人类首次在实验上发现的纯电中性双玻色子散射过程。在2015至2018年LHC实验Run2期间，ATLAS探测器采集了大统计数据（139/fb），为我们深入研究VBS稀有过程提供了前所未有的机会。
上海交通大学物理与天文学院、李政道研究所的ATLAS研究团队对ZZ玻色子对矢量玻色子散射的发现做出了重要的贡献。交大团队成员包括陈婧（博士后，负责双轻子和双中微子衰变道分析），李京（博士研究生，导师：杨海军，负责双轻子和双中微子衰变道分析），Monika Mittal（博士后，本底分析、信号研究，已出站），李数，杨海军和郭军等。团队在事例的选择优化，利用BDT方法提升探测效率和信噪比，WZ、非共振本底、系统误差的估计和结果拟合提取等研究由交大团队完成。
陈婧PROFILE
陈婧博士于2021年初博士毕业于中国科学技术大学，同年加入上海交通大学任博士后，主要从事电弱物理和超越标准模型新物理研究。她是ZZ玻色子散射衰变到两轻子+两中微子末态的主要贡献者之一，曾代表物理分析团队作了ZZ VBS物理分析批准报告及多个国内外学术报告（2020年 Phenomenology Symposium国际会议报告，2019年的CLHCP报告）。2021年获国家自然科学基金委青年基金资助（VBS课题），目前担任ATLAS国际合作组W+光子VBS物理分析课题负责人、三希格斯测量与新物理寻找物理分析课题负责人。
李数PROFILE
李数，2017年加入李政道研究所任首位李政道学者，历任ATLAS国际合作组标准模型电弱物理组负责人（VBS物理属于该组），LHC(ATLAS+CMS+理论)电弱多玻色子工作组负责人、欧洲核子中心物理黄皮书编辑。长期从事电弱多玻色子物理研究，负责组织并深度参与了ZZ及其他各VBS分析道的研究工作，作出重要贡献。代表合作组作了关于ZZ VBS的VBSCan国际会议特邀专题报告和PANIC核与粒子物理国际会议VBS物理特邀综述报告。
杨海军PROFILE
杨海军教授2012年加入上海交通大学创建对撞机实验组。最先提出并研发BDT机器学习方法作粒子鉴别，现已经广泛应用于粒子物理实验，对希格斯粒子的发现和性质测量，双玻色子物理，以及新粒子的寻找做出了重要贡献。深度参与VBS ZZ物理分析，2016-2022年期间指导李京的ZZ VBS博士学位论文工作，利用BDT方法显著提高信号效率和探测灵敏度。李京于2022年博士毕业，研究生期间为首次发现VBS ZZ衰变到双轻子+双中微子末态物理分析工作的主要贡献者之一，曾代表物理分析团队作ATLAS Weekly论文批准报告，并代表ATLAS组在2021年La Thuile国际会议上作ZZ VBS报告。
郭军PROFILE
郭军副教授2014年加入上海交通大学对撞机实验组。主要从事强子对撞机物理研究，在粒子物理标准模型的精确测量、新物理寻找、以及粒子探测器研发上都作出重要贡献。在ATLAS Run2期间作为主要成员参与了不同的VBS物理分析项目。在VBS ZZ分析中，指导博士后Monika Mittal在强子背景估计、电弱和强作用过程之间的干涉等方面作出重要贡献。Mittal博士受邀在国际学术会议上做关于ATLAS国际合作组在VBS研究方面进展的报告。
致谢：
感谢国家自然科学基金委和科技部国家重点研发计划的经费资助，感谢上海市粒子物理和宇宙学重点实验室，粒子天体物理和宇宙学教育部重点实验室的长期支持。
参考文献：
[1] ATLAS Collab., Observation of electroweak production of two jets and a Z-boson pair, Nature Physics, https://doi.org/10.1038/s41567-022-01757-y
[2] ATLAS合作组对ZZ矢量玻色子散射研究的专题报导：
“New milestone reached in the study of electroweak symmetry breaking”：
https://atlas.cern/updates/briefing/milestone-electroweak-symmetry-breaking
来源：粒子与核物理研究所
图文编辑：胡泽心
责任编辑：叶丹、朱敏
