2012年，欧洲核子研究中心(CERN)的ATLAS和CMS合作组发现了希格斯玻色子，为理解宇宙运作方式开启了新窗口。这一发现揭示了一个神秘场的存在，基本粒子通过与该场相互作用获得质量，该过程受电弱对称性破缺机制支配。尽管该机制于1964年首次提出，但仍是粒子物理学标准模型中最不为人知的现象之一。为探索这一关键机制，物理学家需要大量高能粒子碰撞数据。

展示一个候选事件：通过矢量玻色子散射产生两个W+玻色子，随后它们衰变为两个μ子和两个μ子中微子。μ子由内部探测器和μ子谱仪中的红线表示，两个喷流由黄色锥体表示。与两个中微子相关的缺失横向能量方向由灰色虚线表示。(图片来源：ATLAS/CERN)

上周，在莫里昂会议(Rencontres de Moriond)上，ATLAS合作项目在理解电弱对称性破缺机制方面取得新进展。该团队利用大型强子对撞机(LHC)第二次运行中收集的质子-质子碰撞完整数据集(2015年至2018年间以13 TeV能量收集)，首次展示了涉及W玻色子的关键过程证据。

在粒子物理学标准模型中，电磁相互作用和弱相互作用统一为电弱相互作用。电弱相互作用在宇宙大爆炸后不久占主导地位，当时宇宙温度极高。然而，由于W和Z玻色子具有质量，而光子没有质量，两种相互作用之间的对称性被破缺。这种对称性破缺通过布劳特-恩格勒-希格斯(BEH)机制实现，希格斯玻色子的发现首次为该机制提供了实验验证。下一步是测量希格斯玻色子的性质，特别是其与其他基本粒子相互作用的强度，以确认基本物质粒子的质量也是它们与BEH场相互作用的结果。

但BEH机制也做出了其他预测。为确认该机制符合标准模型预测，尤其需要测量两个过程：纵向极化W或Z玻色子之间的相互作用，以及希格斯玻色子与自身的相互作用。尽管希格斯玻色子自相互作用的研究预计最早可在高光度大型强子对撞机(LHC)上进行(2030年开始运行)，但对纵向极化规范玻色子散射的首次研究有望更早实现。

对于粒子而言，极化指其自旋在空间中的取向。纵向极化的粒子自旋与动量方向一致，只有具有质量的粒子才可能实现。纵向极化的W和Z玻色子(W L和Z L)的存在是BEH机制的直接结果，这些状态相互作用的方式是检验电弱对称性破缺方式的灵敏指标。研究这种相互作用有助于物理学家判断对称性破缺是通过最小BEH机制实现，还是涉及新物理机制。新的ATLAS结果首次揭示了这一过程。

在质子-质子碰撞中，可通过研究矢量玻色子散射(VBS)过程探测W L -W L相互作用。VBS过程可想象为每个入射质子中的夸克发射出一个W玻色子，两个W玻色子相互作用，产生一对W或Z玻色子。VBS可通过寻找包含两个玻色子衰变产物及参与相互作用的两个夸克的碰撞来识别，这两个夸克形成两股朝相反方向运动的粒子喷流。

新的ATLAS分析针对两个W玻色子衰变为一个电子或一个μ子及其各自中微子的碰撞。为抑制背景辐射(主要来自顶夸克对产生过程)，要求两个轻子具有相同电荷。因此，实验特征是一对同电荷轻子(电子-电子、μ子-μ子或电子-μ子)、夸克衰变产生的两个方向相反的粒子喷流，以及来自无法探测的中微子的缺失能量。

选定VBS过程候选粒子后，需确定W玻色子的极化。这项工作极具挑战性，只有通过彻底分析重建的电子和μ子方向与相互作用中产生的其他粒子性质之间的关联才能完成。专用神经网络经过训练，可区分横向和纵向极化，最终得出结果：统计显著性为3.3σ的证据，表明两个W玻色子中至少有一个是纵向极化的。

ATLAS标准模型小组召集人吴宇生表示：“此次测量是矢量-玻色子散射过程中极化玻色子相互作用研究核心物理值的一个里程碑，标志着最终利用LHC Run-3和HL-LHC数据研究纵向极化玻色子散射的途径。”