首次观察到质子-质子碰撞产生的三质量规范玻色子

标准模型是概述基础粒子相互作用的最详尽的现有理论，它预测了所谓的Triboson相互作用的存在。这些相互作用是从一个大型强子对撞机事件中同时产生三规范玻色子（three-gauge bosons）的过程。

基本粒子是按标准模型分类，模型用测量波色子（gauge Bosons）描述强、弱、电磁相互作用。测量波色的核素是胶子、W±以及Z波色子。

Triboson相互作用非常罕见，通常比希格斯玻色子事件稀少数百倍，因为它们通常每千亿质子-质子碰撞发生一次。尽管标准模型可以预测它们的存在，但迄今为止物理学家还无法通过实验观察它们。

来自世界各地众多物理研究所的一大批研究人员CMS合作（CMS Collaboration），最近首次观察到质子-质子碰撞中产生了三质量规范玻色子。他们的论文发表在《 物理评论通讯》上，提供了有关triboson相互作用存在的第一个实验证据，为研究基本质量规范玻色子（即W±、Z和希格斯玻色子）之间的相互作用开辟了新的可能性。

研究人员表示：“ triboson相互作用的稀有性和新颖性是我们决定搜寻这些事件的主要指导动力。”  “我们的成就是先前在8和13 TeV质能中心由ATLAS和CMS合作寻找这些过程的尝试的最终成果。”

CMS合作实验是一项正在进行的研究工作，它基于在大型强子对撞机上使用通用检测器，即紧凑型Muon电磁阀的研究。在过去的几年中，研究小组使用该探测器收集与粒子相互作用有关的数据，这可能有助于寻找暗物质并促进新物理学的发现。

在该最新研究中，研究人员检查了2016年至2018年之间使用检测器汇编的大型数据集，因为他们意识到摩擦干扰相互作用变得越来越容易获得，并且事件发生率足够大，无法从背景信号中识别出来。因此，他们着手寻找Triboson或VVV（即V = W+、W-、Z玻色子）并确定存在5.7标准偏差的Triboson相互作用子，这意味着观察到的概率是背景波动为1百万分之一。

如图所示实验所记录的质子-质子碰撞事件，同时产生W+、两个Z玻色子、多个电子和μ子的候选事件。

研究人员解释说，“虽然大部分的triboson衰减模式都涉及强子流，但是一部分引起电子和μ子（统称为轻子）的事件会在探测器中产生独特的特征，”  “ CMS检测器是检测轻子的最著名的仪器，我们利用这一功能将背景过程中罕见的VVV事件分离出来。”

与过去研究中评估的较低质心能量相比，质子-质子碰撞中质子-质子碰撞产生大玻色子的可能性更高。使用最佳信号选择要求，研究人员因此能够从2016-2018年 CMS数据集中的背景信号中分离出稀有的triboson过程。

加州大学圣地亚哥分校的博士后研究员、CMS协作组织的成员菲利普·张说：“可以通过检测质子-质子碰撞产生的W±和Z玻色子来推断它们的存在。”  “它们最明显的存在迹象之一就是对高动量电子和μ子的检测。由于我们要检测的过程涉及质量规范玻色子，因此在事件发生时应该存在多个电子和μ子，而在其它背景下如果不产生多个质量规范玻色子，则电子和μ子的数量很低。因此，我们寻找了具有多个电子和μ子的质子-质子碰撞事件，以观察背景事件中非常罕见的信号过程。”

在分析的数据中，研究人员清楚地确定了质子-质子碰撞产生的三质量规范玻色子。这一发现为粒子物理学领域做出了重大贡献，因为它们为研究大尺度规范玻色子之间的相互作用提供了新的可能性。将来，这项研究可能有助于增进对不同类型的大型玻色子，包括最近发现的希格斯玻色子的当前了解。

研究人员表示：“在一次LHC碰撞中观察到三个重质玻色子的产生，是LHC物理学的一个重要里程碑。” “一开始，我们对在大型强子对撞计划的早期发现这些过程持怀疑态度。这一发现揭示了规范玻色子之间的基本相互作用，并为标准模型的复杂细节打开了一个新窗口。”

CMS协作现在计划进行进一步的研究，探索他们检测到的过程，并将其分析范围扩大到W±和Z玻色子衰变到夸克和中微子的事件。这将使他们能够进一步测试标准模型的有效性，并有可能揭示出现有物理理论无法解释的新物理现象。