北航新闻网11月13日电（通讯员 王琳）近日，北航物理学院袁丽教授团队联合美国东北大学、巴西里约热内卢州立大学的相关团队，通过分析大型强子对撞机（LHC）上的紧凑型缪子螺线管（CMS）实验数据，成功观测到双Z玻色子的电弱产生过程，相关成果以“Observation of Electroweak Production of Pairs of Z Bosons in Proton-Proton Collisions at 13 TeV”为题，在线发表在物理学知名期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters），CMS合作组也对该成果发布了新闻简报（链接见文末）。
传递电磁相互作用的光子和传递弱相互作用的W、Z玻色子统称为矢量玻色子，它们之间散射过程的研究是当前粒子物理高能量前沿研究的热点课题，为检验与希格斯机制密切相关的电弱对称性破缺机制提供了独特窗口，也为寻找超出标准模型新物理提供了重要途径。
在LHC的质子-质子碰撞中，双Z玻色子的电弱产生过程是所有矢量玻色子散射过程中产生截面最小的，此前尚未在CMS实验上观测到。该过程由来自两个质子的夸克分别辐射出一个矢量玻色子，后者发生散射并产生一对Z玻色子，散射后的夸克则形成两个显著前冲、彼此分离的喷注。这类过程发生概率极低，需要从海量的背景事例中甄别出稀有的信号事例。依据Z玻色子的衰变模式的不同，可将该过程分为不同的末态，例如四轻子末态、双轻双喷注末态、双轻双中微子末态等。研究团队聚焦于ZZ的双轻双中微子末态（即一个Z玻色子衰变为电子对或缪子对，另一个Z玻色子衰变为中微子对）。这一末态由于包含无法被探测器直接探测的中微子对，事例重建时则无法完整重建出两个Z玻色子，这为信号事例的甄别带来了更严峻的挑战。
图1：CMS探测器记录的双Z玻色子电弱产生过程候选事例。绿色表示两个带电轻子，橙色表示两个前向喷注，紫色箭头表示缺失横动量。
为准确估计信号区主要本底的事例数，研究团队选取了富含WZ事例的三轻子控制区，以及富含顶夸克对和WW事例的异号电子缪子控制区，通过对比这些控制区中的真实数据和模拟样本的事例数差异来约束相关本底。而针对Drell–Yan本底的模拟样本无法准确描述真实数据分布这一难点问题，团队开发了基于单光子控制区的数据驱动方法，巧妙利用单光子事例和Drell–Yan事例的相似性，成功地消除了对模拟样本的依赖，实现对真实数据中Drell–Yan本底的准确描述。在此基础上，团队引入图神经网络综合识别信号特征，利用轻子、喷注和缺失横动量之间的关联信息，提升信号与本底的区分能力。这些方法的应用极大提高了本底估计的可靠性，并显著改进了分析的灵敏度。
图2：图神经网络鉴别量分布。黑点表示真实数据，彩色堆叠直方图表示信号及各类本底贡献，其中红色为电弱双Z玻色子信号。下图展示数据与预测的比值，灰色阴影表示预测的不确定度。
最终，研究团队观测到双轻双中微子末态的信号显著性达到3.1倍标准偏差，首次在该末态中获得双Z玻色子电弱产生过程的实验证据。测得的基准相空间产生截面为0.37 fb，与标准模型预言一致。与此前四轻子末态的测量结果联合后，双Z玻色子电弱产生过程的信号显著性达到5.0倍标准偏差，达到粒子物理中宣称“发现”的标准。至此，CMS完成了所有两个矢量玻色子（W、Z、WW、WZ和ZZ）电弱产生过程的观测，为标准模型提供了有力的实验检验。
在此项研究中，由袁丽教授和成曈光教授共同指导的物理学院博士研究生高红和谭龙升做出重要贡献。高红担任该分析负责人，并代表研究团队在CMS合作组内做预审核报告，谭龙升完成了反常四规范玻色子耦合相关研究。国际前沿交叉科学研究院彭桓武科教合作中心王龙副教授参与本项工作，并对分析中的数据揭盲和统计拟合工作给予重要指导，已毕业的博士研究生王翰文和科研助理刘运阳对本底估计做出贡献。此项研究受到国家自然科学基金委、国家科技部资助。
论文链接：https://doi.org/10.1103/jydv-n2js
CMS合作组新闻简报：https://cms.cern/news/cms-observes-rare-z-boson-pair-production
注：欧洲大型强子对撞机（LHC）是目前世界上能量最高的粒子加速器，CMS探测器是LHC上四个大型探测器之一。依托CMS探测器组建的CMS国际合作组，由来自58个国家的248个大学和研究机构的6000余名物理工作者和工程师组成。我国现有中国科学院高能物理研究所、北京大学、北京航空航天大学等11家单位参与CMS实验。北航CMS 团队积极参与探测器的运行维护和物理研究，在希格斯粒子性质测量和新粒子寻找等热点课题研究中，近年来发表北航成员为主要作者（合作组论文作者按照字母排序，无第一、通讯作者，对论文作主要贡献者由合作组发言人书面说明）的合作组论文10余篇。
（审核：王菲）
编辑：贾爱平
