CMS觀測到質(zhì)量125GeV的新粒子CMS試驗組CERN4July2012

1、1我們將此觀測現(xiàn)象詮釋為在之110 - 122.5 GeV 或 127 - 600CMS 觀測到質(zhì)量 125 GeV 的新粒子CMS 實驗組 , CERN4 July 2012概述在今天於 CERN 、並同步與在澳洲墨爾本 （ Melbourne ） 舉行的 ICHEP 2012 1 國際高能物理大 會聯(lián)合舉行的學(xué)術(shù)研討會上，大強子對撞機（ LHC ） 的 CMS （ 緊湊渺子線圈 ） 實驗團(tuán)隊的研究者們利用了至 2012 年 6 月所擷取到的數(shù)據(jù)，發(fā)表了尋找標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯玻色子的最新的初步結(jié)果。CMS 觀測到在質(zhì)量大約 125 GeV 2 之處有多於背景所預(yù)期的事件數(shù)，其統(tǒng)計顯著性達(dá)到大約

2、5 個標(biāo)準(zhǔn)差 （ 5 sigma ） 3 。而這個顯著性代表我們看到的訊號是由背景事件擾動產(chǎn)生的機率只有三百 萬分之一。最強的證據(jù)首先來自雙光子終態(tài)，其次則為有兩對帶電輕子 （ 電子 electron 或是渺子muon ） 的組合。這兩個終態(tài)也正是我們質(zhì)量解析度最好的分析管道。 前的實驗尚未觀測到的質(zhì)量約 125 GeV 的新粒子。CMS 數(shù)據(jù)也以 95% 的信心水準(zhǔn) 4 ，排除希格斯玻色子在質(zhì)量GeV 這兩個區(qū)間的可能性。更低的質(zhì)量在 CERN 較早的大型電子 -正子對撞機實驗中已經(jīng)被排除在不同的搜尋管道所得的分析結(jié)果，在統(tǒng)計誤差之內(nèi)與預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯玻色子一致。然 而，要確定這個新粒子

3、符合標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯玻色子的一切性質(zhì)、或是有所出入因而暗示有超越標(biāo)準(zhǔn) 模型的新物理，則還需要更多的數(shù)據(jù)。大強子對撞機仍持續(xù)的提供大量的對撞數(shù)據(jù)，預(yù)期到 2012 年底 CMS 數(shù)據(jù)量就可能達(dá)到比現(xiàn)在 多三倍以上。屆時的數(shù)據(jù)將使 CMS 能進(jìn)一步闡明這個新觀測到的粒子為何，也能讓 CMS 拓展在 許多其他新物理方向的探索。CMS 的搜尋策略CMS 分析了直到六月十八日爲(wèi)止所蒐集到的 2011 和 2012 年數(shù)據(jù)。這包括了 2011 年在質(zhì)心能 量 7 TeV 所擷取的 5.1 fb-1 累積亮度 5 ，以及 2012 年在 8 TeV 的 5.3 fb-1 數(shù)據(jù)量。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，我們預(yù)期希格斯玻

4、色子應(yīng)會在很短的時間之內(nèi)分解或衰變成我們熟悉的已知基本粒子。CMS分析了五個主要的希格斯玻色子衰變管道。其中三個管道導(dǎo)致一對玻色子（丫光子對、 ZZ 對，或 WW 對 ; Z 與 W 玻色子是傳遞弱作用力的玻色子），另兩個管道導(dǎo)致費米子對 （ bb底夸克對或 T濤輕子對）。藉由一對玻色子的三個分析，對於尋找125 GeV的希格斯玻色子，有幾乎相同的靈敏度，並且均高於另兩個尋找一對費米子（bb和T T的分析。丫恍子對及ZZ玻色子對這兩個管道具有特別的重要性，因位這兩個分析管道的高質(zhì)量解析度， 讓我們可以估計新粒子的質(zhì)量。分析丫光子對時，質(zhì)量的量測是由在CMS的晶體電磁量能器（ ECAL, 圖一

5、） 所測量到的兩顆高能光子的能量與方向所決定。而分析 ZZ 玻色子對時，我們則需 要量測 ZZ 玻色子衰變成兩個電子對，或兩個渺子對，或是一個電子對和一個渺子對的組合（ 圖二 ）。這些電子和渺子則是藉由電磁量能器 ECAL ，中心軌跡偵測器和外圍的渺子偵測器來量測。2CMS EMRfinrwE AHZ LHC. CERNRurWEeenl *1 翼106乂4劭4D0d圖一：CMS偵測器在2012年質(zhì)心能量8 TeV質(zhì)子質(zhì)子對撞所記錄的一個事件示 意圖。這個事件顯示出一個可能由希格斯玻色子衰變成雙光子（由黃虛線及綠色柱 塔表出）的事件特徵。此事件當(dāng)然也可能是由已知的其他標(biāo)準(zhǔn)模型物理過程所產(chǎn) 生。

6、圖二：CMS偵測器在2012年質(zhì)心能量8 TeV質(zhì)子質(zhì)子對撞所記錄的一個事件示意圖。這個事件顯示出一個可能由希格斯玻色子衰變成ZZ玻色子對的事件特徵。其中一個Z玻色子衰變成一對電子（由綠線及綠色柱塔表出），另一個Z玻色子衰變成一對渺子（由紅線表出）。此事件當(dāng)然也可能是由已知的其他標(biāo)準(zhǔn)模型物理 過程所產(chǎn)生。3121086420m.T (GeV)Z Z 2 2 X X .盂=1 Z+Z+石 m m 希格斯玻色子衰變到 WW玻色子對的分析就相對複雜。要確認(rèn)W玻色子的存在，我們需要藉由其衰變至一個電子加上微中子、或是一個渺子加上微中子。但CMS並無法偵測到微中子的穿越。因此，標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯玻色子衰變到

7、WW玻色子對，在質(zhì)量分佈圖上並不會顯現(xiàn)出一個窄的尖峰，倒像是在背景上一個寬廣的隆起。兩個底夸克的管道受困於標(biāo)準(zhǔn)模型已知物理過程導(dǎo)致的高背景， 因此此分析工作尋找事件中希格斯子伴隨W或Z玻色子產(chǎn)生，這些玻色子再衰變到電子（對）或渺子（對）。T濤輕子對的分析則藉濤輕子衰變到電子、渺子或強子群測量。CMS的結(jié)果總結(jié)以現(xiàn)有的CMS數(shù)據(jù)量，應(yīng)當(dāng)有足夠的靈敏度以 95%的信心水準(zhǔn)，將標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯玻色子自 110 - 600 GeV質(zhì)量範(fàn)圍完全排除。實際上， CMS也確實以同樣的信心水準(zhǔn)，排除了希格斯玻色子 在110 - 122.5 GeV和127 - 600 GeV兩個質(zhì)量區(qū)間的可能性。CMS無法排除希

8、格斯玻色子存在於122.5 - 127 GeV這個質(zhì)量範(fàn)圍，乃是因為我們在五個分析管道中觀測到有三個分析管道有多於背景預(yù)期的事件：? 丫恍子對：圖三顯示光子對的質(zhì)量分布。我們觀測到在125.0 GeV質(zhì)量有多出背景預(yù)期事件4.1標(biāo)準(zhǔn)差的訊號事件數(shù)。在雙光子管道觀測到新粒子，表示此粒子是玻色子，不是費米子， 且新粒子 也不該會是自旋（spin ）為1的粒子。? ZZ玻色子對：圖四顯示四輕子質(zhì)量分布（兩個電子對、兩個渺子對，或是一對電子和一對渺子）。由質(zhì)量分布圖加上衰變角度分析，我們觀測到在接近125 GeV質(zhì)量有多出背景預(yù)期事件3.2個標(biāo)準(zhǔn)差的訊號事件數(shù)。? WW玻色子對：觀測到在質(zhì)量分布上有多

9、於背景1.5標(biāo)準(zhǔn)差的分布較廣的事件數(shù)。? bb底夸克對和T濤輕子對：沒有明顯高於背景預(yù)期的事件數(shù)量。CMS Preliminary 莓=了滄比 L = 5-D5ft/；= eH&V, L = 5.26ib12000 01800ESieooFl 400140120o o o o o o o o o o O O o o o o o o o o o o O O2 2 0 0 8 8 6 6 4 4 2 2 凸匚?1?1山P2LI6一M80 WO 120140160180叫i GeV4圖三：光子對的質(zhì)量分布圖。黑色圖點伴隨著 誤差顯示出 2011和2012年CMS數(shù)據(jù)中，雙 光子的質(zhì)量分布。數(shù)據(jù)點依照

10、落在不同的分類 目錄裡，乘上該分類預(yù)期的訊號除以背景的比 例後疊加在一起。紅色實線顯示出訊號加上背 景的分析結(jié)果；紅虛線則是顯示出背景的分 佈。圖四：四個輕子結(jié)合的質(zhì)量分布圖。途中包含 了四個電子、四個渺子、和兩個電子兩個渺子 的三種組合。黑色的點代表 CMS數(shù)據(jù)、藍(lán)色和 綠色的直條圖顯示出預(yù)期的背景事件分佈、而 紅色的直條圖則顯示出訊號的分佈圖。三個直 條圖是以疊加的方法表現(xiàn)。呈現(xiàn)在這的數(shù)據(jù)包 含了在質(zhì)心能量 7 TeV和8 TeV所擷取的數(shù) 據(jù)。1 1 d d 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 o o o o o o o o o o o o .1.1 .1.1 .1.

11、1 1 1 1 1n-eAd -eocrl1n2o304o1n2o304o5050i i i i ifif 1 1 JIJI JJJJ1O1O1OO-1O-O-1O1O1OO-1O-O-JIJI9 9 0 0 1212-Combined abs.-Exp. for SMH Higgs-Hrbb.HTT H-H- WW-H-ZZCMS PreliminaryVs = 7TeV, L = 5,1 fc1s = 8TeV, L= 5.31b1三二二一二二二-=二一6 60 07070JI2224JI-JI-26128在結(jié)合所有五個管道總和分析（圖五），訊號高於背景的顯著性達(dá)到4.9個標(biāo)準(zhǔn)差。若是對兩

12、個最靈敏又對質(zhì)量測量解析度最高的管道（丫洸子對和ZZ玻色子對）總和分析後，我們得到 5.0標(biāo)準(zhǔn)差的訊號顯著性。這代表了我們看到的訊號是由背景事件擾動產(chǎn)生的機率只有三百萬分之一。Higgs boson mass (GeV)圖五：CMS數(shù)據(jù)中，只有背景事件卻可以產(chǎn)生出像是訊號般或更多事件數(shù)量的機 率圖（p-值）。此機率結(jié)合了所有五個分析，而且跟所觀測的質(zhì)量有關(guān)。黑色實線 顯示出結(jié)合所有五個分析的機率值。量測到的新粒子質(zhì)量是125.3 +/- 0.6 GeV。這個測量結(jié)果並不需要預(yù)先設(shè)定在那個分析管道需要多少的觀測訊號事件。測量到的新粒子產(chǎn)生率（QDAT）亦符合標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯玻色子的產(chǎn)生率（0SM）

13、:其相比倍數(shù)為CDAT /= 0.80 +/- 0.22。5CMS小心地驗證了所有的分析細(xì)節(jié)，包括偵測器的測量誤差，訊號事件的篩選條件，背景事件 數(shù)量估測，和其他系統(tǒng)上或統(tǒng)計上的誤差等等。2011年的CMS分析結(jié)果6即在125 GeV質(zhì)量處顯現(xiàn)出可能有額外的訊號事件。因此，為了避免預(yù)期和偏見效應(yīng)，導(dǎo)致人為的選擇加強了訊號事 件，2012年的數(shù)據(jù)分析乃是使用了所謂的 blind遮眼7分析方法，亦即在所有的分析過程 中，只有在我們已經(jīng)確定了分析步驟後才揭開我們有興趣的質(zhì)量區(qū)間。為了確定每一個分析步驟的正確性，每一個分析管道都有至少兩個以上的工作小組，獨立產(chǎn)生相 符的實驗結(jié)果。而仍有幾個現(xiàn)象可以增強

14、分析結(jié)果的可信度：? 125 GeV的訊號在2011年（7 TeV ）和2012年（8 TeV ）數(shù)據(jù)中都存在?訊號在兩個有高質(zhì)量解析度的分析管道（丫恍子對和ZZ玻色子對）顯現(xiàn)在相同質(zhì)量?在WW玻色子對的分析管道的訊號，與由125 GeV粒子所產(chǎn)生的現(xiàn)象符合?這個高於背景的訊號，涵蓋包括光子，電子，渺子和強子的基本粒子的多種組合今天所公布的初步結(jié)果將會在最終整理後並在幾個月內(nèi)投稿至學(xué)術(shù)期刊上。未來規(guī)劃在125 GeV所看到的新粒子，在有限的統(tǒng)計精度內(nèi)，與標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯玻色子的預(yù)期相符。然 而，我們需要更多的數(shù)據(jù)來測量不同衰變管道（丫恍子對，ZZ或WW玻色子對，bb底夸克對或T濤輕子對）的衰變率

15、，終而測量其自旋和宇稱（parity ），從而確認(rèn)此新粒子的確是標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯玻色子，亦或是超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子。大強子對撞機正持續(xù)的成功運行。到2012年底，CMS預(yù)期將可以增加三倍以上現(xiàn)有的數(shù)據(jù)量，用以更深入探測這個新粒子的物理特性。如果它並不是標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯玻色子，CMS將探索它所啓示的新物理特性，包括可能會在大強子對撞機出現(xiàn)的其他新粒子。若它被證實是標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯玻 色子，其物理性質(zhì)將被仔細(xì)測量。不論是哪個發(fā)展，我們都會利用大強子對撞機在更高的能量和強 度，持續(xù)搜尋新的粒子或作用力。關(guān)於CMS更多的資訊可以藉由CMS 的網(wǎng)站上獲得：http:/cern.ch/cms 或聯(lián)絡(luò) cms.o

16、utreachcern.chCMS是大強子對撞機上兩個綜合型實驗的其中之一，而建造的目標(biāo)即在尋找新物理現(xiàn)象的存 在。實驗偵測器的設(shè)計即針對大強子對撞機高能量質(zhì)子與質(zhì)子或重離子對撞時可能產(chǎn)生的各種粒子 或現(xiàn)象的偵測，並試著回答像是宇宙是由什麼物質(zhì)與力組成或是什麼提供物質(zhì)于萬物的問 題。CMS也會針對已知的粒子們做出更精確的測量並同時留意全新且未知的新現(xiàn)象。這樣的研究不 只是幫助增加我們對宇宙運行的了解，也同時刺激了新科技的進(jìn)步而影響了我們生活的周遭。概念上的CMS設(shè)計早在1992即被提出。這個大型的偵測器 （直徑15公尺、長29公尺並重達(dá) 一萬四千公噸）是由一個大型的國際科學(xué)研究團(tuán)隊：從全球 4

17、1個國家179個學(xué)術(shù)單位來的 3275 位科學(xué)家（包括1535位學(xué)生）加上790位工程師與技師，花了 16年的時間才建造完成。註解1ICHEP 是第 36 屆 International Conference on High Energy Physics 國際高能物理研討會，在 2012年7月4日至11日間，在澳洲墨爾本舉辦。CMS的結(jié)果公布會同時由學(xué)者在CERN和實況視訊連結(jié)至ICHEP。3 統(tǒng)計學(xué)上的訊號顯著性通常是用來表示在一個假設(shè)之下，某個觀測到的現(xiàn)象有多不尋常。而物理學(xué)家通常會用“sigma “為單位來量化這個顯著性。當(dāng)顯著性的sigma數(shù)愈大，標(biāo)示觀測的現(xiàn)象愈不6符合某個假設(shè)或假說。於是對於一個人們不預(yù)期會發(fā)生的新物理或新現(xiàn)象，物理學(xué)家會要求相當(dāng)高 的顯著性數(shù)值來說服大家某個新的發(fā)現(xiàn)。4 信心水準(zhǔn)是統(tǒng)計學(xué)上的一個側(cè)量估算方法，用來表示某個結(jié)論在預(yù)期的範(fàn)圍之內(nèi)的機率。譬如 說，95%的信心水準(zhǔn)指得是在百分之九十五的情形之中，事件發(fā)生的結(jié)果會落在所預(yù)期的範(fàn)圍之 內(nèi)。5 /news/2004/july21/femtobarn-721.html6 http:/cms.w