物理系陈新课题组在希格斯粒子新物理性质、强子双喷注共振态寻找、希格斯粒子CP性质等研究方向取得进展

 

        标准模型希格斯粒子没有诸如H→eτ、H→μτ等破坏轻子味道(LFV)的直接衰变,但拥有扩展Higgs sector(如超对称SUSY),复合希格斯粒子,或卷曲额外维度等超标准模型的理论则预言了较大的LFV效应,探测Higgs的LFV衰变是对Higgs粒子新物理性质的一种探索。利用ATLAS 36 fb-1数据,申请人所在分析组寻找了在不同希格斯粒子产生模式下H→eτ和H→μτ这两种衰变信号(参见图一),最终没有发现显著的信号存在,给出了ATLAS目前最好的衰变分支比上限(H→eτ上限0.47%,H→μτ上限0.28%),相关结果以《在ATLAS 13 TeV 质子-质子对撞中寻找希格斯粒子的破坏轻子味道的衰变过程》(Searches for lepton-flavour-violating decays of the Higgs boson in √s=13 TeV pp collisions with the ATLAS detector)为题发表于《物理学快报B》(Physics Letters B),为我们理解希格斯粒子的新物理性质又向前迈进了一步。这一重要结果同时被ATLAS合作组以物理简报形式报道于https://atlas.cern/updates/physics-briefing/higgs-interaction-lightest-charged-lepton。物理系副教授陈新课题组在LFV分析标准模型背景计算、全局信号拟合等方面做出了重要贡献,代表分析组在Higgs plenary会议上做了approval报告,同时是这个分析的内部通讯编辑(contact editor)。该工作得到了国家自然科学基金和科技部的支持。

 

  图一:多变量分析方法给出的决策树变量在H→μτ分析中一个信号区的分布。摘自Phys. Lett. B 800 (2020) 135069。

       

        文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269319307919?via%3Dihub

 

        LHC的其中一项重要任务是搜寻超出标准模型的新粒子和新现象。许多超出标准模型之外的新物理预言了能与标准模型中胶子或者夸克耦合的新的重粒子的存在,而这些新粒子如果存在的话能在LHC上通过高能质子对撞产生,并衰变成两个能量很高的夸克或者胶子,以双喷注的形式被探测器探测到。在标准模型中,双喷注末态的事例主要来自于强相互作用过程,而强相互作用预言的双喷注不变质量谱是平滑下降的,若是有一个非标准模型的新粒子衰变到两个夸克或者胶子,在平滑的双喷注不变质量谱上便会出现一个小鼓包,对应于新粒子的质量。因此,在双喷注末态不变质量谱中寻找新的共振峰是LHC上寻找新粒子的一个重要方向。通过触发系统对事例的筛选,ATLAS实验重建的双喷注末态不变质量谱能在约1 TeV以上范围内有效寻找新粒子。最近,ATLAS实验组利用2015-2018年约139 fb-1 的对撞数据,使用最新的b夸克标定器,根据衰变末态中的夸克是否被标定为b夸克,并针对不同的新粒子信号,对四个不同类别的不变质量谱进行了分析(参见图二)。测量结果没有发现显著的新粒子存在证据,对新粒子质量和其与夸克耦合的强度给出了实验上限,并且通过与上一轮的结果比较发现,所使用的最新的b夸克标定器给部分新粒子可能存在的质量区间给出了相对更加严格的限制。该研究成果最近以《在ATLAS 13 TeV 139 fb-1 质子-质子对撞双喷注质量谱分布中寻找新共振态》(Search for new resonances in mass distributions of jet pairs using 139 fb-1 of pp collisions at √s=13 TeV with the ATLAS detector)为题发表于《高能物理学报》(Journal of High Energy Physics),物理系副教授陈新课题组的博士研究生丁伟是此分析的主力之一,代表课题组在ATLAS Exotics Jet plus Dark Matter分析组会议上给出了审核通过报告,并且代表课题组在ATLAS Weekly Meeting会议上给出了总结报告。该工作得到了国家自然科学基金和科技部的支持。

 

图二:四个不同类别的双强子喷注不变质量谱分布。摘自JHEP03 (2020) 145。

 

        文章链接:https://link.springer.com/article/10.1007/JHEP03(2020)145

 

        CP(电荷与宇称)破坏是Sakharov于1967年提出的实现正反物质不对称的必要条件之一,标准模型CKM矩阵中的复相位角不能提供足够的CP破坏来解释宇宙中正反物质不对称,而希格斯粒子如果是CP混合态,它将会提供额外的CP破坏源,从而打开研究新物理的一扇门。虽然H→ττ信号主要被用来研究希格斯粒子与tau费米子耦合,但是通过矢量玻色子融合(Vector Boson Fusion)这一希格斯粒子产生模式,以H→ττ为末态的信号也可以用来对产生过程中的HVV(V=W/Z)耦合CP破坏效应进行探索(这类耦合用6维有效算符来描述)。基于ATLAS Run-2 36 fb-1的数据,利用矩阵元算法,我们得到了控制这种CP破坏大小的参量的范围(-0.090<<0.035,参见图三),从而在研究希格斯粒子CP性质的方向上又前进了一步。该结果以《在ATLAS 13 TeV 质子-质子对撞中检验希格斯粒子在玻色子融合产生过程中的CP守恒》(Test of CP invariance in vector-boson fusion production of the Higgs boson in the H→ττ channel in proton-proton collisions at √s=13 TeV with the ATLAS detector)为题发表于《物理学快报B》(Physics Letters B),物理系副教授陈新课题组在CP信号产生和双轻子末态背景方面做出了重要贡献。这项工作得到了国家自然科学基金和科技部的支持。


  图三:预期和实际数据中参数和似然对数函数变化量(ΔNLL)的关系曲线。摘自Phys. Lett. B 805 (2020) 135426。


        文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269320302306?via%3Dihub