十年砥砺 — 我校韩良团队圆满完成第一代TeV强子对撞机弱实验混合角sin2θW基本物理常数测量 [2018-06-14]

       中国科大近代物理系韩良领导的科大D0团队，在费米国家加速器实验室的D0实验上，圆满完成利用第一代TeV级强子对撞机Tevatron开展的弱混合角sin²θW精确测量工作。该课题前后经历十一年，产生多篇意义重大的科学论文，并长期保持相关测量的国际最高精度。这一系列研究对于粒子标准模型电弱机制检验、间接探测新物理效应以及高能物理实验技术方法作出了重要贡献。D0实验的最终观测结果发表于Phys. Rev. Lett. 120, 241802^[1] 

  弱混合角sin²θW是粒子物理标准模型最重要的基本参数之一。它描述了弱相互作用与电磁相互作用在电弱统一理论中的混合比例，直接表征Z-g中性流空间反演对称性破缺的相对强度。而在理论上，Z玻色子中性流过程可以将真空极化等高阶量子修正效应吸收到有效弱混合角sin²θW中，从而精确检验标准模型电弱破缺机制并探测高能标新物理间接效应。因此，弱混合角的精确测量长期以来都是粒子物理实验领域最重要的课题之一。上世纪八十年代，正负电子对撞实验LEP和SLD上曾给出过Z玻色子质量能标下的弱混合角最精确测量结果。进入二十一世纪，高能物理实验的主要平台变为强子对撞。虽然相比于轻子对撞机实验，TeV强子对撞机具有高Z玻色子产生截面的特点，但也同时带来了系统误差与理论误差大、本底复杂等天然缺点，实验物理学界认为强子对撞上测量弱混合角难度极大，并且对可能达到的精度一直保持怀疑态度。

   韩良团队从2007年开始利用第一代TeV强子对撞机Tevatron上正反轻子对过程的前后不对称性，开展弱混合角测量工作，并长期负责这一课题。在十一年间，系统地研究了相关物理与实验技术，成功突破了强子对撞上误差控制的技术瓶颈，实现了远超预期的高精度测量，并且引领了一系列国际最高水平记录：1） 2008年，完成了世界首次强子对撞上弱混合角测量（Phys. Rev. Lett, 101, 191801^[2]），验证了相关实验方法的可行性；2）2011年，系统地研究与论证了该课题在强子对撞上的系统误差限制（Phys. Rev. D 84, 012007^[3]），为后续测量给出了指导方向；3）2015年，成功克服了轻子能量刻度这一最重要的技术瓶颈，给出新的测量结果（Phys. Rev. Lett. 115, 041801^[4]）。该结果是首次在强子对撞上实现与轻子对撞机同水平的弱混合角测量、最高精度电子对末态测量结果；4）2018年，成功实现缪子末态的高精度测量，给出了最高精度缪子末态结果、最高精度单次实验结果以及最高精度轻夸克相关结果^[1]。至此，第一代TeV强子对撞实验上弱混合角测量工作圆满结束。最新测量结果与精度为：

sin²θw (D0) = 0.23095 ± 0.00040　

  这一系列结果多次应邀在顶级国际会议进行报告，包括2014年国际高能物理大会（ICHEP2014）、2015年大型强子对撞物理会议（LHCP2015）、2017年La Thuile粒子物理会议（LaThuile2017）、2017年欧洲物理学会高能物理会议（EPSHEP2017）、2017年粒子与核物理国际会议（PANIC2017）和2018年国际高能物理大会（ICHEP2018）。费米国家实验室先后两次为该课题结果作出专题报道^{[5] [6]}。

图1 D0弱混合角测量结果与LEP和SLD、以及Tevtraon/CDF实验观测比较。( Published at Phys. Rev. Lett. 120, 241802 )

　　韩良团队在这十余年间不断培养年轻学者，这是此项课题得以持续前进的重要保障。值得特别指出的是，最新一次的测量是由韩良教授指导我校两位本科生王晨（2013级物理学院）和项一帆（2014级少年班学院）主要完成的。因为他们在这一重要实验测量中所作的工作与贡献，被D0合作组授予single author。这在高能物理大型国际合作中是极为罕见的。

图2 费米实验室新闻报道科大D0组Zàμμ弱混合角测量团队：韩良(左上)、王晨(右上)、项一帆(左下)、杨思奇(右下)

       科大在电弱基本物理参数精确检验领域进入国际领跑地位。韩良领团队现正在开展第二代TeV级强子对撞机LHC/ATLAS实验弱混合角测量。

References:
[1] “Measurement of the effective weak mixing angle in ppbar àZ/γ* àl+l- events”, D0 Collaboration, Phys. Rev. Lett.120 (2018) 241802 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.241802
[2] “Measurement of the forward-backward charge asymmetry and extraction of sin²θ_W in ppbar àZ/γ* àe+e- events produced at 1.96 TeV”, D0 Collaboration, Phys. Rev. Lett.101 (2008) 191801
[3] “Measurement of sin²θ_Wand Z-light quark couplings using the forward-backward charge asymmetry and extraction of sin²θ_W in ppbar àZ/γ* àe+e- events with 5.0fb-1 at 1.96 TeV”, D0 Collaboration, Phys. Rev. D84 (2011) 012007
[4] “Measurement of the effective weak mixing angle in ppbar àZ/γ* àe+e- events”, D0 Collaboration, Phys. Rev. Lett.115 (2015) 041801
[5]http://news.fnal.gov/2017/05/light-heavy-light-asymmetry/
[6] http://news.fnal.gov/2014/05/measuring-the-quot-direction-quot-of-the-standard-model/