在粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中，光子、W玻色子、Z玻色子和膠子等四種自旋為1的規(guī)范玻色子是傳遞相互作用的基本粒子。其中，無(wú)質(zhì)量的光子傳遞長(zhǎng)程的電磁相互作用，而重質(zhì)量的W和Z玻色子傳遞短程的弱相互作用;由于W玻色子帶電，光子可以與其發(fā)生直接相互作用。
在對(duì)撞機(jī)上用于碰撞的粒子通常是電子或質(zhì)子。直接研究玻色子的相互作用并非易事，多個(gè)玻色子反應(yīng)的物理特征需要通過(guò)費(fèi)米子湮滅或輻射玻色子等方法實(shí)現(xiàn)。W玻色子與光子的聯(lián)合產(chǎn)生過(guò)程包括直接產(chǎn)生和散射產(chǎn)生，二者都是對(duì)撞機(jī)物理的基本過(guò)程，其示意費(fèi)曼圖如圖所示。其中，W玻色子與光子的直接產(chǎn)生涉及WWγ三玻色子作用頂點(diǎn)，而W玻色子與光子的散射產(chǎn)生涉及WWγγ四規(guī)范玻色子頂點(diǎn)。對(duì)W與光子聯(lián)合產(chǎn)生的多玻色子過(guò)程展開(kāi)研究，對(duì)深入檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型、探測(cè)楊-米爾斯非阿貝爾相互作用，以及揭示可能的新物理跡象具有重要的意義。
W玻色子與光子直接產(chǎn)生(左)和散射產(chǎn)生(右)的示意費(fèi)曼圖
北京大學(xué)物理學(xué)院技術(shù)物理系、核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李強(qiáng)研究員課題組利用歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(large hadron collider, LHC)上緊湊繆子線圈(compact muon solenoid, CMS)探測(cè)器實(shí)驗(yàn)所收集的13 TeV質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞數(shù)據(jù)，對(duì)W玻色子與光子的直接產(chǎn)生和散射產(chǎn)生進(jìn)行精細(xì)探測(cè)，一方面，首次得到13 TeV對(duì)撞能量下W玻色子與光子直接產(chǎn)生過(guò)程的反應(yīng)截面，測(cè)量精度達(dá)到4.5%，同時(shí)也對(duì)6維有效理論的相關(guān)耦合系數(shù)給出了世界最嚴(yán)格的限制;另一方面，在5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差水平下，首次觀測(cè)到W玻色子與光子的散射過(guò)程，對(duì)8維反常四規(guī)范玻色子耦合給出了世界最嚴(yán)格的限制。
2021 年6月25日，相關(guān)研究成果以“在13 TeV質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞中W玻色子與光子產(chǎn)生截面測(cè)量及對(duì)有效理論系數(shù)的限制”(Measurement of Wγproduction cross section in proton-proton collisions at sqrt(s)=13 TeV and constraints on effective field theory coefficients)為題，發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters);按照高能物理學(xué)界的慣例，論文由CMS實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組全體成員依姓氏英文字母順序共同署名。此前，合作組曾在2020年12月10日于《物理學(xué)快報(bào)B》(Physics Letters B)發(fā)表了題為“在13 TeV質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞中觀測(cè)到伴隨兩個(gè)噴注W玻色子與光子的電弱產(chǎn)生”(Observation of electroweak production of Wγwith two jets in proton-proton collisions at sqrt(s)=13 TeV)的研究成果。
李強(qiáng)課題組在該系列工作中發(fā)揮了主導(dǎo)作用。其中，李強(qiáng)擔(dān)任分析協(xié)調(diào)人;北京大學(xué)物理學(xué)院2017級(jí)博士研究生肖杰和2015級(jí)博士研究生黃遷明分別就上述兩項(xiàng)工作向合作組做了審核報(bào)告(Approval of SMP-19-002/008);北京大學(xué)博士后Andrew Levin 、2020屆博士畢業(yè)生盧夢(mèng)(現(xiàn)為中山大學(xué)博士后)和2017級(jí)博士研究生安瑩也做出重要貢獻(xiàn)。
上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)博士后科學(xué)基金等支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.252002
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269320307917
