强子对撞机上双玻色子末态过程中Higgs粒子的研究和新物理的寻找

The discovery of the Higgs-like particle with mass around 125 GeV by the ATLAS and CMS collaborations at the Large Hadron Collider (LHC) in 2012 opened a new era for particle physics. Although the Standard Model (SM) has achieved great success in describing the strong and electroweak interactions, it is considered to be the effective theory in the low energy region. For the next decades to come, the most important tasks of the particle physics with accelerator is to measure the mass and production cross section of Higgs particle from different decay modes and to determine its relevant properties, and further more to search for new physics beyond the SM.This project proposes to (1) search for Higgs particle and study its properties from the decay channels H->ZZ*->4l, H->gamma gamma, H->WW*->2l2v and H->Zgamma->llv. (2) search for new physics beyond the SM with diboson final states constructed from electron and muon for the leptonic decays of W and Z. Mainly to measure diboson production cross sections and determine the corresponding triple gauge boson couplings (TGCs) that may hint new physics if TGCs present anomalous, and search for new particles from WZ, WW and ZZ final states.

2012年，大型强子对撞机上的两个独立探测器，ATLAS和CMS发现了一个质量约125GeV的新粒子，可能就是标准模型（SM）预言的Higgs粒子，揭开了粒子物理研究的新纪元。在今后的十年，粒子物理最重要的研究任务是通过不同的衰变过程测量类Higgs粒子的质量、自旋、宇称、与其他粒子的耦合等性质，以及寻找超出标准模型的新物理。本项目将利用ATLAS实验采集的大批量数据在双玻色子末态衰变过程中进行类Higgs粒子研究及新物理的寻找工作：(1)通过衰变道H->ZZ*->4l, H->gamma gamma,H->WW*->2l2v和H->Zgamma，来探测类Higgs粒子，并研究其性质。(2)寻找超出标准模型的新物理：精确测量双玻色子产生截面，通过研究三规范玻色子的反常耦合寻找新物理存在的证据，以及在高质量端直接观测WZ，WW和ZZ的新共振态来寻找新物理。

2012年希格斯粒子被发现后, 确定它是标准模型(SM)所预言的标量玻色子是粒子物理领域内最重要的科学问题, 也是本项目重要研究方向。本项目相关的研究内容和重要结果有：.1.首次发现bb衰变模式，信号显著性达到5.4倍标准差；.2.将μμ衰变分支比限制到SM预期的3倍以下（95%置信度）；.3.将H->Zy的产生截面与分支比乘积限制到SM预期的10倍以下 （95%置信度）；.4.确定其自旋为零，宇称为偶；.5.利用高质量ZZ事例中的离壳希格斯产生获得质量总宽度的间接限制：在95%置信度下小于14.4 MeV；.6.利用H->ZZ*末态测得的希格斯粒子与其他基本粒子的耦合与理论预期一致。 .尽管目前所有的实验结果与SM预期都没有显著偏离，但SM并不完备。许多重要问题都无法在其框架下讨论。在LHC实验上有两条探索超SM物理的路线：一是精确测量SM所预言的重要过程，与理论预期对照，如果发现偏离，则得到了新物理存在的证据和探索新物理的线索；二是针对特定新物理模型所预言的新现象，直接寻找新物理。本课题在SM精确检验方面的研究内容和重要成果有：.1.首次发现同号WW产生过程，统计显著性达到6.9标准差；.2.测量异号WW产生截面，所得结果与标准模型一致；.3.测量Z的4轻子衰变分支比、质子质子对撞中产生的4轻子质量谱，ZZ产生过程，所得结果与SM预期一致，进一步限制了电弱物理中可能的反常耦合；.4.测量WWW产生过程，实验结果限制四规范玻色子耦合。.本课题在新物理直接寻找方面的研究内容和重要成果有：.1．寻找高质量的希格斯粒子的WW, ZZ衰变，得到截面与分支比乘积的上限；.2．寻找右手中微子和右手W玻色子，排除了右手中微子和右手W玻色子质量小于比3-5 TeV参数区域；.3．寻找带双电荷的希格斯粒子(H++)，排除了质量在200-220 GeV范围内的H++。 .综上，课题组较为全面、系统地探索超出SM的新物理：精确地测量了希格斯粒子特性，测量了几个重要的电弱过程，并针对几个特定模型直接寻找新粒子。迄今所有结果都与SM预期一致，SM之外的耦合及新的粒子都被严格限制。