南大BESIII实验共青团和少先队陈申见教师课题组科学探究工作新进展,ATLAS实验首回观测到Higgs粒子最要害的衰变进度

近日,我校物理学院北京谱仪实验团队陈申见教授课题组科研工作再次取得重要进展,最新研究成果以“Measurement
of the absolute branching fraction of the inclusive semileptonic
Λc+decay”为题发表在Phys .Rev. Lett. 121, 250801
,作者是课题组黄晓忠博士。

近日,我校物理学院BESIII实验团队与中科院高能所合作,在轻标量介子的研究方面取得重要进展。研究团队在D介子的半轻衰变过程中首次观测到了轻标量介子a0,这为研究a0
的本质提供了重要的实验依据,并为轻标量介子内在结构的研究开拓了新的思路。研究成果以“Observation
of the Semileptonic Decay D0→a0-e+neand Evidence for
D+→a00e+ne”为题,于2018年8月24日发表于在Phys. Rev. Lett. 121, 081802
。物理学院陈申见教授课题组的博士研究生豆正磊是该论文的通讯作者和实际的第一作者(由BESIII合作组认定)。

在今年7月5-12日于意大利威尼斯举行的欧洲物理学会高能物理分会上,欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的ATLAS实验宣布观测到Higgs粒子衰变到底夸克对的过程。结合
2011至2016年共两期质子质子对撞数据, 观测到的信号显著性为
3.6倍标准偏差,即统计学上该信号是本底噪声的概率几乎只是万分之一。这是2012年发现Higgs粒子以来,LHC实验最重要的物理成果之一。南京大学陈申见教授课题组是最早参与Hbb研究的中国团队,是该物理分析过程的核心成员。

自从Λc重子于1979年被实验发现以来,其强衰变的模式已被广泛地研究,然而对其半轻衰变的研究非常稀少,目前实验只观测到Λc+→Λl+νl
这一种半轻衰变模式。通过比较遍举衰变分支比 Br(Λc+→Λe+νe)
和单举半轻衰变分支比Br(Λc+→Xe+νe),可以为寻找尚未观测到的Λc半轻衰变模式指明方向。此外Λc和D介子的寿命主要由粲夸克的弱衰变主导,因此Λc的单举半轻衰变宽度和D的单举半轻衰变宽度有很强的关联。理论上通过不同的方法预言了Λc和D的单举半轻衰变宽度的比值。精确测量Λc的单举半轻衰变分支比,有助于区分不同的理论模型,并为理解Λc的衰变动力学提供实验依据。

对质量在1GeV/c2以下的a0 和f0
等轻标量介子的内在结构的研究一直是非微扰QCD的核心问题之一,它对于理解低能区的手征对称以及相关物理守恒律具有重要的意义。夸克模型认为a0
和f0
等为传统的正负夸克组成的q\bar{q}态,但该模型难以解释f的辐射衰变过程f→ga00等一系列实验现象,因此对于轻标量介子的内在结构还存在着四夸克态、K\bar{K}束缚态等多种假设。在此前的实验中,已经发现了一部分四夸克态候选,但与轻标量介子不同的是,它们都含有重夸克对成分。

在粒子物理学的标准模型理论中,Higgs粒子与所有有质量的基本粒子耦合,负责这些基本粒子的质量起源,因此又称“上帝粒子”。标准模型预计,近六成的Higgs粒子会衰变到底夸克对,是Higgs粒子的首要衰变过程,因此Hbb过程对于测量Higgs粒子的寿命进而了解其性质至关重要。然而2012年发现Higgs粒子后的数年时间内,该过程一直未被观测到,其原因在于,在大型强子对撞机上Hbb信号过程很难同其他本底过程相区分,本底噪声是信号的一千万倍。在如此巨大的本底噪声中找出信号是一项极具挑战性的任务。为了解决这一问题,科学家们在Higgs粒子与W或Z粒子同时产生的过程中寻找Higgs粒子衰变到底夸克,利用W或Z粒子衰变产生的轻子和中微子导致的丢失横动量以区分信号和其他本底过程。经过历时五年多的努力,ATLAS实验终于观测到了这一重要的物理过程。在7月份的
EPS-HEP会议上报道了该实验结果后,立刻引起广泛关注,被选为本次会议最重要的结果(Highlight)。

实验上只有MarkII合作组在1982年测量了Λc的单举半轻衰变分支比。受限于数据样本,MarkII的结果依赖于诸多假设。研究团队利用BESIII探测器在质心能量4.6
GeV处采集的总积分亮度为567
pb-1的正负电子对撞数据和双标记的方法,精确测量了Λc单举半轻衰变的分支比,该结果不依赖MarkII所作的假设。该研究表明Λc+→Xe+νe是Λc半轻衰变的主要模式,这也是实验上尚未观测到Λc其他半轻衰变模式的部分原因。此外,研究团队根据Λc和D的单举半轻衰变宽度的比值,有效地区分了不同理论的预言。下图展示了实验室系中Λc单举半轻衰变产生的电子动量谱的拟合图。带误差棒的是实验数据,蓝色曲线是总的拟合结果。从图中可以看到明显的信号过程。

半轻衰变过程中强子跃迁可以自然地从轻对中分解出来,能有效避免强子衰变中复杂的末态相互作用,因此在D介子半轻衰变中寻找a0
可以有效提供a0 波函数中的a0-=d\皇家赌场注册,bar{u},
a0+=u\bar{d}和a00=(u\bar{u}–d\bar{d})/Ö2成分信息,其对于研究D介子的衰变机制也至关重要。

陈申见教授课题组的博士生张雷,在2011年博士毕业后就加入了ATLAS实验,从事Higgs粒子衰变到底夸克的寻找。课题组还与台北中央研究院联合培养博士研究生王超和王蔚。王超博士在2012年开始作为实验精度最高的“Higgs
协同Z粒子产生(Z粒子衰变到中微子)子课题组”的主力,参与了基于ATLAS一期实验数据的Hbb过程的研究,于2016年获得博士学位。在读博士生王蔚,从2014年起参与基于ATLAS二期实验数据的Hbb过程的研究,对分析方案的优化,以及关键的底夸克喷注标定和电子学触发选择等方面做出了重要贡献,并担任了内部支持文档的撰稿人。从2012年至今,历时五年多,实验结果的信号显著性从2012年不到0.5倍标准偏差改进到现在3.6倍标准偏差。下图展示的是底夸克对不变质量谱,从中可以观察到Higgs粒子衰变到底夸克对的共振峰信号,同时,也可以看到已知的
Z玻色子衰变到底夸克对的过程,这是Higgs粒子衰变到底夸克对研究的一个关键验证。

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研究团队利用北京谱仪III探测器采集的总积分亮度为2.93
fb-1的y数据和双标记方法,在6.4倍标准差的显著性上实现了对D0→a0-e+ne衰变的寻找,并在2.9倍标准差的显著性上发现了D+→a0+e+ne衰变的证据,测得它们的分支比。对于D+衰变过程,由于缺乏足够的统计显著性,研究团队还测量了其在90%置信度下的分支比上限。测得的两个衰变过程的分宽度比值与同位旋对称性的预期一致。

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