歐洲核子中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC上的ATLAS實(shí)驗(yàn)組近期在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)>》（Physical Review Letters）上在線(xiàn)發(fā)表了關(guān)于尋找縱向極化雙玻色子散射的實(shí)驗(yàn)研究（Phys. Rev. Lett. 135, 111802 (2025)）。該項(xiàng)工作首次在雙玻色散射這一稀有過(guò)程中鎖定“縱向極化”玻色子蹤跡，為探索電弱對(duì)稱(chēng)性破缺機(jī)制再添重要一筆。研究成果于9月10日以“編輯推薦”（Editors' Suggestion）發(fā)表，并被美國(guó)物理學(xué)會(huì)《物理》（Physics）雜志以“Probing the Higgs Mechanism with Particle Collisions and AI”為題作為研究亮點(diǎn)（Viewpoint）專(zhuān)門(mén)報(bào)道（僅有約1/6的PRL論文會(huì)被選為編輯推薦，約0.3%的Physical Review系列論文被選為亮點(diǎn)報(bào)道）。
弱相互作用是自然界已知的四種基本相互作之一，矢量玻色子（ W、Z 玻色子）是傳遞弱作用的媒介粒子。在早期宇宙，弱力和電磁力統(tǒng)一為電弱作用，此時(shí)W、Z 玻色子與傳遞電磁作用的光子一樣均為無(wú)質(zhì)量粒子。按照規(guī)范理論，無(wú)質(zhì)量的規(guī)范玻色子只能具有兩種橫向極化態(tài)。隨著宇宙溫度降低，電弱對(duì)稱(chēng)性自發(fā)破缺，W、Z 玻色子通過(guò)希格斯機(jī)制獲得質(zhì)量，而光子保持無(wú)質(zhì)量；有質(zhì)量的W、Z 玻色子由此具備了縱向極化自由度。因此，矢量玻色子的縱向極化成分是理解電弱規(guī)范對(duì)稱(chēng)性破缺機(jī)制的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)上測(cè)量玻色子的極化組成，尤其是在雙玻色子散射中尋找縱向極化玻色子，不僅能夠檢驗(yàn)希格斯機(jī)制和標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)，也有望揭示新的物理現(xiàn)象。
中國(guó)科大ATLAS實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)近期利用質(zhì)心系能量為13 TeV的質(zhì)子-質(zhì)子碰撞數(shù)據(jù)，在同電荷WW玻色子散射過(guò)程中（圖1）首次觀(guān)察到了縱向極化W玻色子的實(shí)驗(yàn)跡象，這是國(guó)際上首次在雙玻色子散射過(guò)程中探測(cè)到縱向極化玻色子信號(hào)。為在復(fù)雜環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中區(qū)分大量本底事例與稀有信號(hào)，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類(lèi)器，整合多個(gè)具有細(xì)微差別的動(dòng)力學(xué)觀(guān)測(cè)量，大幅提升信號(hào)與本底的區(qū)分度（圖2）；通過(guò)統(tǒng)計(jì)擬合得到縱向極化W玻色子信號(hào)的統(tǒng)計(jì)顯著性達(dá)到 3.3σ（標(biāo)準(zhǔn)差）水平。該成果為標(biāo)準(zhǔn)模型中的電弱作用規(guī)范結(jié)構(gòu)提供了新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，也為未來(lái)在雙玻色子散射中測(cè)量玻色子的極化開(kāi)辟了新的途徑。隨著LHC的繼續(xù)運(yùn)行和未來(lái)的升級(jí)，科學(xué)家們將能收集更多數(shù)據(jù)、提高探測(cè)精度，或許終有一天能直接捕捉到這類(lèi)稀有過(guò)程的信號(hào)，揭開(kāi)更多宇宙奧秘。
圖1：（左）同電荷WW玻色子散射（ssWW）過(guò)程的典型費(fèi)曼圖，圖中虛線(xiàn)代表希格斯玻色子；（右）ATLAS實(shí)驗(yàn)在13 TeV的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞中捕捉到的一個(gè)包含縱向極化W玻色子末態(tài)的ssWW散射過(guò)程，圖中紅色徑跡代表重建出的從W玻色子衰變的繆子，黃色錐角代表重建出的強(qiáng)子噴注
圖2：深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)DNN分值的分布圖，圖中黑色實(shí)心點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不同顏色的直方圖代表理論模擬的本底與信號(hào)事例
論文主要完成人為我校碩士生王寅杪、博士生許泰然（現(xiàn)為美國(guó)密歇根大學(xué)博士后），指導(dǎo)教師包括劉衍文教授和徐來(lái)林特任教授，其中徐來(lái)林擔(dān)任分析組負(fù)責(zé)人。中國(guó)科大ATLAS實(shí)驗(yàn)組是趙政國(guó)院士領(lǐng)導(dǎo)下的一支具有相當(dāng)規(guī)模和凝聚力的穩(wěn)定團(tuán)隊(duì)，目前包括16名教授副教授，2名特任副研究員，6名博士后，近30名博士和碩士研究生?？拼蠼M成員負(fù)責(zé)或參與探測(cè)器建造、運(yùn)行維護(hù)及性能研究、觸發(fā)優(yōu)化、末態(tài)重建性能的標(biāo)定，以及廣泛的物理研究。在標(biāo)準(zhǔn)模型的精確檢驗(yàn)和測(cè)量、希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)和性質(zhì)研究，以及超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理的直接尋找的物理研究中，取得了多個(gè)以科大組為主導(dǎo)并得到ATLAS國(guó)際合作組高度評(píng)價(jià)的重要物理結(jié)果。
論文鏈接：https://doi.org/10.1103/bpln-ccql
《物理》報(bào)道鏈接：https://physics.aps.org/articles/v18/155
（物理學(xué)院、科研部）
