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在 √s = 13 TeV 的質子-質子碰撞中搜索 Z 玻色子衰變為 ττµµ


核心概念
歐洲核子研究組織(CERN)的緊湊渺子螺管(CMS)實驗首次搜尋了 Z 玻色子衰變為兩個 τ 輕子和兩個 µ 子的過程,並根據結果對標準模型預測的衰變分支比設定了上限,同時也對六個涉及兩個 µ 子和兩個 τ 輕子的有效場論算符設定了限制。
摘要

研究論文摘要

書目資訊

CMS 合作組。「在 √s = 13 TeV 的質子-質子碰撞中搜索 Z 玻色子衰變為 ττµµ」。物理評論快報,doi:10.1103/PhysRevLett.133.161805。

研究目標

本研究旨在於大型強子對撞機(LHC)中,首次搜尋 Z 玻色子衰變為兩個 τ 輕子和兩個 µ 子(ττµµ)的過程,並與 Z 玻色子衰變為四個 µ 子(4µ)的過程進行比較。

研究方法

研究人員使用 CMS 探測器在 √s = 13 TeV 的質子-質子碰撞中收集的數據,對應於 138 fb−1 的積分亮度。他們採用基於蒙地卡羅模擬的分析方法,通過比較數據與預測的背景事件數來尋找信號事件。

主要發現

分析結果顯示,數據與預測的背景相符,沒有觀察到 Z 玻色子衰變為 ττµµ 的顯著信號。

主要結論

研究人員根據分析結果,首次對 Z →ττµµ 與 Z →4µ 的分支比設定了 95% 信賴水平的上限,為標準模型預期的 6.9 倍。此外,他們還利用標準模型有效場論(SMEFT)框架,對六個涉及兩個 µ 子和兩個 τ 輕子的有效場論算符設定了限制,這是對所有此類算符的首次測試。

研究意義

本研究為探索 Z 玻色子的罕見衰變模式提供了新的實驗數據,並對標準模型預測進行了重要的檢驗。同時,對有效場論算符的限制也為探索超出標準模型的新物理提供了新的途徑。

局限性和未來研究方向

由於數據樣本的限制,本研究對 Z →ττµµ 衰變分支比的靈敏度有限。未來隨著 LHC 數據量的增加,預計可以顯著提高對該衰變過程的搜尋靈敏度,並對標準模型進行更精確的檢驗。

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統計資料
研究人員使用了 CMS 探測器在 √s = 13 TeV 的質子-質子碰撞中收集的數據,對應於 138 fb−1 的積分亮度。 在考慮的相空間中,Z →ττµµ 與 Z →4µ 的分支比在 95% 信賴水平上的上限為 6.2,相當於標準模型預期的 6.9 倍。 標準模型對 Z →ττµµ 與 Z →4µ 的分支比的預測值為 0.90。
引述
「數據與預測的背景相符。」 「這是對所有此類算符的首次測試。」

深入探究

未來是否有可能通過其他衰變通道或實驗方法來搜尋 Z →ττµµ 衰變過程?

當然有可能。以下是幾種未來可以採用的方法: 探索其他衰變通道: 目前這個分析只考慮了τ輕子衰變為μ子及微中子的情況 (τ → μνν)。未來可以探索τ輕子的其他衰變模式,例如τ衰變為電子及微中子 (τ → eνν)、τ衰變為強子及微中子 (τ → hadrons + ν) 等。 雖然這些衰變模式的分析難度更高,但可以提供更多數據,進一步限制 Z →ττµµ 的分支比。 提高實驗亮度: LHC 未來將會進行高亮度升級 (HL-LHC),預計可以將數據量提升 10 倍以上。更高的亮度意味著可以產生更多 Z 玻色子,從而提高觀測到 Z →ττµµ 衰變的機率。 發展新的分析技術: 隨著機器學習等數據分析技術的發展,未來可以開發出更高效的算法來識別和重建 Z →ττµµ 衰變過程中的信號,從而提高分析的靈敏度。

如果未來實驗中發現 Z →ττµµ 衰變過程的信號顯著超出標準模型預測,將會對粒子物理學產生哪些影響?

如果 Z →ττµµ 衰變過程的信號顯著超出標準模型預測,將會是一個非常重大的發現,意味著存在超出標準模型的新物理。這將對粒子物理學產生以下幾方面的影響: 輕子普適性失效: 標準模型預測輕子普適性,即不同代的輕子與規範玻色子的耦合強度相同。Z →ττµµ 衰變的異常增強將表明輕子普適性失效,暗示著存在新的規範玻色子或其他新粒子,例如輕子夸克。 新對稱性的存在: Z →ττµµ 衰變的異常增強可能暗示著存在新的對稱性,例如 Lμ - Lτ 對稱性,這是一種只涉及μ子和τ輕子的對稱性。 暗物質的線索: 一些理論模型預測 Z 玻色子可以與暗物質粒子相互作用。Z →ττµµ 衰變的異常增強可能為暗物質的存在提供間接證據。 總之,Z →ττµµ 衰變過程的異常增強將為探索超出標準模型的新物理打開一扇窗戶,推動粒子物理學邁向一個全新的時代。

在探索宇宙奧秘的過程中,我們如何平衡對已知理論的精確檢驗和對未知領域的大膽探索?

在探索宇宙奧秘的過程中,對已知理論的精確檢驗和對未知領域的大膽探索同等重要,兩者相輔相成,缺一不可。 精確檢驗已知理論: 標準模型是目前粒子物理學的基石,但它並非終極理論。通過對標準模型進行高精度的檢驗,我們可以發現其不足之處,為新物理指明方向。例如,尋找 Z →ττµµ 等稀有衰變過程,可以對標準模型的預測進行嚴格的檢驗。 大膽探索未知領域: 除了對已知理論進行檢驗,我們也需要不斷探索未知領域,尋找超出標準模型的新物理。這需要我們提出新的理論模型,設計新的實驗方法,並建造更強大的粒子加速器。 平衡對已知理論的精確檢驗和對未知領域的大膽探索,需要我們: 保持開放的心態: 不應被現有理論所束縛,要勇於挑戰現有理論,探索新的可能性。 重視實驗結果: 實驗是檢驗理論的唯一標準,要重視實驗結果,即使它與現有理論相矛盾。 加強國際合作: 探索宇宙奧秘需要全球科學家的共同努力,加強國際合作至關重要。 總之,在探索宇宙奧秘的過程中,我們需要在精確檢驗已知理論的基礎上,不斷探索未知領域,才能最終揭開宇宙的神秘面紗。
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