CMS觀測(cè)到質(zhì)量125GeV的新粒子CMS試驗(yàn)組CERN4July2012

1、1我們將此觀測(cè)現(xiàn)象詮釋為在之110 - 122.5 GeV 或 127 - 600CMS 觀測(cè)到質(zhì)量 125 GeV 的新粒子CMS 實(shí)驗(yàn)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(guó)際高能物理大 會(huì)聯(lián)合舉行的學(xué)術(shù)研討會(huì)上，大強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（ LHC ） 的 CMS （ 緊湊渺子線圈 ） 實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)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(cè)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(jì)顯著性達(dá)到大約

2、5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差 （ 5 sigma ） 3 。而這個(gè)顯著性代表我們看到的訊號(hào)是由背景事件擾動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)率只有三百 萬分之一。最強(qiáng)的證據(jù)首先來自雙光子終態(tài)，其次則為有兩對(duì)帶電輕子 （ 電子 electron 或是渺子muon ） 的組合。這兩個(gè)終態(tài)也正是我們質(zhì)量解析度最好的分析管道。 前的實(shí)驗(yàn)尚未觀測(cè)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(gè)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(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(gè)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)仍持續(xù)的提供大量的對(duì)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(shí)的數(shù)據(jù)將使 CMS 能進(jìn)一步闡明這個(gè)新觀測(cè)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(huì)在很短的時(shí)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(gè)主要的希格斯玻色子衰變管道。其中三個(gè)管道導(dǎo)致一對(duì)玻色子（丫光子對(duì)、 ZZ 對(duì)，或 WW 對(duì) ; Z 與 W 玻色子是傳遞弱作用力的玻色子），另兩個(gè)管道導(dǎo)致費(fèi)米子對(duì) （ bb底夸克對(duì)或 T濤輕子對(duì)）。藉由一對(duì)玻色子的三個(gè)分析，對(duì)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(gè)尋找一對(duì)費(fèi)米子（bb和T T的分析。丫恍子對(duì)及ZZ玻色子對(duì)這兩個(gè)管道具有特別的重要性，因位這兩個(gè)分析管道的高質(zhì)量解析度， 讓我們可以估計(jì)新粒子的質(zhì)量。分析丫光子對(duì)時(shí)，質(zhì)量的量測(cè)是由在CMS的晶體電磁量能器（ ECAL, 圖一

5、） 所測(cè)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(duì)時(shí)，我們則需 要量測(cè) ZZ 玻色子衰變成兩個(gè)電子對(duì)，或兩個(gè)渺子對(duì)，或是一個(gè)電子對(duì)和一個(gè)渺子對(duì)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(cè)器和外圍的渺子偵測(cè)器來量測(cè)。2CMS EMRfinrwE AHZ LHC. CERNRurWEeenl *1 翼106乂4劭4D0d圖一：CMS偵測(cè)器在2012年質(zhì)心能量8 TeV質(zhì)子質(zhì)子對(duì)撞所記錄的一個(gè)事件示 意圖。這個(gè)事件顯示出一個(gè)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(cè)器在2012年質(zhì)心能量8 TeV質(zhì)子質(zhì)子對(duì)撞所記錄的一個(gè)事件示意圖。這個(gè)事件顯示出一個(gè)可能由希格斯玻色子衰變成ZZ玻色子對(duì)的事件特徵。其中一個(gè)Z玻色子衰變成一對(duì)電子（由綠線及綠色柱塔表出），另一個(gè)Z玻色子衰變成一對(duì)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(duì)的分析就相對(duì)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(gè)電子加上微中子、或是一個(gè)渺子加上微中子。但CMS並無法偵測(cè)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(duì)，在質(zhì)量分佈圖上並不會(huì)顯現(xiàn)出一個(gè)窄的尖峰，倒像是在背景上一個(gè)寬廣的隆起。兩個(gè)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(duì)）或渺子（對(duì)）。T濤輕子對(duì)的分析則藉濤輕子衰變到電子、渺子或強(qiáng)子群測(cè)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(shí)際上， CMS也確實(shí)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(gè)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(gè)質(zhì)量範(fàn)圍，乃是因?yàn)槲覀冊(cè)谖鍌€(gè)分析管道中觀測(cè)到有三個(gè)分析管道有多於背景預(yù)期的事件：? 丫恍子對(duì)：圖三顯示光子對(duì)的質(zhì)量分布。我們觀測(cè)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(hào)事件數(shù)。在雙光子管道觀測(cè)到新粒子，表示此粒子是玻色子，不是費(fèi)米子， 且新粒子 也不該會(huì)是自旋（spin ）為1的粒子。? ZZ玻色子對(duì)：圖四顯示四輕子質(zhì)量分布（兩個(gè)電子對(duì)、兩個(gè)渺子對(duì)，或是一對(duì)電子和一對(duì)渺子）。由質(zhì)量分布圖加上衰變角度分析，我們觀測(cè)到在接近125 GeV質(zhì)量有多出背景預(yù)期事件3.2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的訊號(hào)事件數(shù)。? WW玻色子對(duì)：觀測(cè)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(duì)和T濤輕子對(duì)：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(duì)的質(zhì)量分布圖。黑色圖點(diǎn)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(diǎn)依照

10、落在不同的分類 目錄裡，乘上該分類預(yù)期的訊號(hào)除以背景的比 例後疊加在一起。紅色實(shí)線顯示出訊號(hào)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(gè)輕子結(jié)合的質(zhì)量分布圖。途中包含 了四個(gè)電子、四個(gè)渺子、和兩個(gè)電子兩個(gè)渺子 的三種組合。黑色的點(diǎn)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(hào)的分佈圖。三個(gè)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(gè)管道總和分析（圖五），訊號(hào)高於背景的顯著性達(dá)到4.9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。若是對(duì)兩

12、個(gè)最靈敏又對(duì)質(zhì)量測(cè)量解析度最高的管道（丫洸子對(duì)和ZZ玻色子對(duì)）總和分析後，我們得到 5.0標(biāo)準(zhǔn)差的訊號(hào)顯著性。這代表了我們看到的訊號(hào)是由背景事件擾動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)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(hào)般或更多事件數(shù)量的機(jī) 率圖（p-值）。此機(jī)率結(jié)合了所有五個(gè)分析，而且跟所觀測(cè)的質(zhì)量有關(guān)。黑色實(shí)線 顯示出結(jié)合所有五個(gè)分析的機(jī)率值。量測(cè)到的新粒子質(zhì)量是125.3 +/- 0.6 GeV。這個(gè)測(cè)量結(jié)果並不需要預(yù)先設(shè)定在那個(gè)分析管道需要多少的觀測(cè)訊號(hào)事件。測(cè)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(yàn)證了所有的分析細(xì)節(jié)，包括偵測(cè)器的測(cè)量誤差，訊號(hào)事件的篩選條件，背景事件 數(shù)量估測(cè)，和其他系統(tǒng)上或統(tǒng)計(jì)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(hào)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(qiáng)了訊號(hào)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(gè)分析步驟的正確性，每一個(gè)分析管道都有至少兩個(gè)以上的工作小組，獨(dú)立產(chǎn)生相 符的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而仍有幾個(gè)現(xiàn)象可以增強(qiáng)

14、分析結(jié)果的可信度：? 125 GeV的訊號(hào)在2011年（7 TeV ）和2012年（8 TeV ）數(shù)據(jù)中都存在?訊號(hào)在兩個(gè)有高質(zhì)量解析度的分析管道（丫恍子對(duì)和ZZ玻色子對(duì)）顯現(xiàn)在相同質(zhì)量?在WW玻色子對(duì)的分析管道的訊號(hào)，與由125 GeV粒子所產(chǎn)生的現(xiàn)象符合?這個(gè)高於背景的訊號(hào)，涵蓋包括光子，電子，渺子和強(qiáng)子的基本粒子的多種組合今天所公布的初步結(jié)果將會(huì)在最終整理後並在幾個(gè)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(jì)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(cè)量不同衰變管道（丫恍子對(duì)，ZZ或WW玻色子對(duì)，bb底夸克對(duì)或T濤輕子對(duì)）的衰變率

15、，終而測(cè)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)正持續(xù)的成功運(yùn)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(cè)這個(gè)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(huì)在大強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)出現(xiàn)的其他新粒子。若它被證實(shí)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(cè)量。不論是哪個(gè)發(fā)展，我們都會(huì)利用大強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)在更高的能量和強(qiáng) 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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上兩個(gè)綜合型實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)偵測(cè)器的設(shè)計(jì)即針對(duì)大強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)高能量質(zhì)子與質(zhì)子或重離子對(duì)撞時(shí)可能產(chǎn)生的各種粒子 或現(xiàn)象的偵測(cè)，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(huì)針對(duì)已知的粒子們做出更精確的測(cè)量並同時(shí)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(duì)宇宙運(yùn)行的了解，也同時(shí)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(jì)早在1992即被提出。這個(gè)大型的偵測(cè)器 （直徑15公尺、長(zhǎng)29公尺並重達(dá) 一萬四千公噸）是由一個(gè)大型的國(guó)際科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)：從全球 4

17、1個(gè)國(guó)家179個(gè)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(shí)間才建造完成。註解1ICHEP 是第 36 屆 International Conference on High Energy Physics 國(guó)際高能物理研討會(huì)，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(huì)同時(shí)由學(xué)者在CERN和實(shí)況視訊連結(jié)至ICHEP。3 統(tǒng)計(jì)學(xué)上的訊號(hào)顯著性通常是用來表示在一個(gè)假設(shè)之下，某個(gè)觀測(cè)到的現(xiàn)象有多不尋常。而物理學(xué)家通常會(huì)用“sigma “為單位來量化這個(gè)顯著性。當(dāng)顯著性的sigma數(shù)愈大，標(biāo)示觀測(cè)的現(xiàn)象愈不6符合某個(gè)假設(shè)或假說。於是對(duì)於一個(gè)人們不預(yù)期會(huì)發(fā)生的新物理或新現(xiàn)象，物理學(xué)家會(huì)要求相當(dāng)高 的顯著性數(shù)值來說服大家某個(gè)新的發(fā)現(xiàn)。4 信心水準(zhǔn)是統(tǒng)計(jì)學(xué)上的一個(gè)側(cè)量估算方法，用來表示某個(gè)結(jié)論在預(yù)期的範(fàn)圍之內(nèi)的機(jī)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(huì)落在所預(yù)期的範(fàn)圍之 內(nèi)。5 /news/2004/july21/femtobarn-721.html6 http:/cms.w