2012年，歐洲核子研究中心(CERN)的ATLAS和CMS合作組發現了希格斯玻色子，為理解宇宙運作方式開啟了新窗口。這一發現揭示了一個神秘場的存在，基本粒子通過與該場相互作用獲得質量，該過程受電弱對稱性破缺機制支配。盡管該機制于1964年首次提出，但仍是粒子物理學標準模型中最不為人知的現象之一。為探索這一關鍵機制，物理學家需要大量高能粒子碰撞數據。

展示一個候選事件：通過矢量玻色子散射產生兩個W+玻色子，隨后它們衰變為兩個μ子和兩個μ子中微子。μ子由內部探測器和μ子譜儀中的紅線表示，兩個噴流由黃色錐體表示。與兩個中微子相關的缺失橫向能量方向由灰色虛線表示。(圖片來源：ATLAS/CERN)

上周，在莫里昂會議(Rencontres de Moriond)上，ATLAS合作項目在理解電弱對稱性破缺機制方面取得新進展。該團隊利用大型強子對撞機(LHC)第二次運行中收集的質子-質子碰撞完整數據集(2015年至2018年間以13 TeV能量收集)，首次展示了涉及W玻色子的關鍵過程證據。

在粒子物理學標準模型中，電磁相互作用和弱相互作用統一為電弱相互作用。電弱相互作用在宇宙大爆炸后不久占主導地位，當時宇宙溫度極高。然而，由于W和Z玻色子具有質量，而光子沒有質量，兩種相互作用之間的對稱性被破缺。這種對稱性破缺通過布勞特-恩格勒-希格斯(BEH)機制實現，希格斯玻色子的發現首次為該機制提供了實驗驗證。下一步是測量希格斯玻色子的性質，特別是其與其他基本粒子相互作用的強度，以確認基本物質粒子的質量也是它們與BEH場相互作用的結果。

但BEH機制也做出了其他預測。為確認該機制符合標準模型預測，尤其需要測量兩個過程：縱向極化W或Z玻色子之間的相互作用，以及希格斯玻色子與自身的相互作用。盡管希格斯玻色子自相互作用的研究預計最早可在高光度大型強子對撞機(LHC)上進行(2030年開始運行)，但對縱向極化規范玻色子散射的首次研究有望更早實現。

對于粒子而言，極化指其自旋在空間中的取向。縱向極化的粒子自旋與動量方向一致，只有具有質量的粒子才可能實現?？v向極化的W和Z玻色子(W L和Z L)的存在是BEH機制的直接結果，這些狀態相互作用的方式是檢驗電弱對稱性破缺方式的靈敏指標。研究這種相互作用有助于物理學家判斷對稱性破缺是通過最小BEH機制實現，還是涉及新物理機制。新的ATLAS結果首次揭示了這一過程。

在質子-質子碰撞中，可通過研究矢量玻色子散射(VBS)過程探測W L -W L相互作用。VBS過程可想象為每個入射質子中的夸克發射出一個W玻色子，兩個W玻色子相互作用，產生一對W或Z玻色子。VBS可通過尋找包含兩個玻色子衰變產物及參與相互作用的兩個夸克的碰撞來識別，這兩個夸克形成兩股朝相反方向運動的粒子噴流。

新的ATLAS分析針對兩個W玻色子衰變為一個電子或一個μ子及其各自中微子的碰撞。為抑制背景輻射(主要來自頂夸克對產生過程)，要求兩個輕子具有相同電荷。因此，實驗特征是一對同電荷輕子(電子-電子、μ子-μ子或電子-μ子)、夸克衰變產生的兩個方向相反的粒子噴流，以及來自無法探測的中微子的缺失能量。

選定VBS過程候選粒子后，需確定W玻色子的極化。這項工作極具挑戰性，只有通過徹底分析重建的電子和μ子方向與相互作用中產生的其他粒子性質之間的關聯才能完成。專用神經網絡經過訓練，可區分橫向和縱向極化，最終得出結果：統計顯著性為3.3σ的證據，表明兩個W玻色子中至少有一個是縱向極化的。

ATLAS標準模型小組召集人吳宇生表示：“此次測量是矢量-玻色子散射過程中極化玻色子相互作用研究核心物理值的一個里程碑，標志著最終利用LHC Run-3和HL-LHC數據研究縱向極化玻色子散射的途徑。”