CMS合作组近日报告称，研究人员首次利用大型强子对撞机产生的三个高能W或Z玻色子事件，寻找可能超出粒子物理标准模型的新物理迹象。这类“三玻色子”事件指一次质子—质子碰撞中同时产生三个玻色子，发生概率极低。CMS合作组曾在2020年首次观测到此类事件。
W和Z玻色子本身并不稳定，会衰变为轻子、相应的中微子或夸克，并在CMS探测器中留下可识别的信号。由于三玻色子事件特征鲜明，尤其适合用来检验标准模型在极端条件下的表现，也为寻找新物理提供了一个难得窗口。
此次研究覆盖了十种不同末态，主要依据轻子和喷注的数量进行分类。研究团队为每类末态选取了对潜在新物理效应敏感的判别变量，通常与事件总能量有关，因为如果存在新的物理相互作用，它们可能会在高能区域表现出偏离标准模型预期的迹象。对于涉及τ轻子的复杂末态，团队还采用了提升决策树机器学习算法，用于区分信号和背景过程。
上图：示意图展示了三玻色子的不同衰变模式，这些模式用于对分析进行分类。黑色箭头代表衰变产物，可以是轻子或喷注。对于高动量玻色子，衰变产物会准直，形成一个由蓝色圆锥表示的重构喷注。
研究结果在有效场论框架下进行解释。有效场论通过在标准模型的数学结构中引入新的相互作用，帮助科学家研究大型强子对撞机直接能量范围之外可能存在的物理效应。此次分析对32种不同新物理情景下的相互作用强度给出了限制，扩展了以往围绕三玻色子过程开展研究的范围。
参与研究的人员表示，这项工作的一大难点在于协调十种不同末态，并将它们统一纳入包含32种新物理情景的统计框架。研究团队对所有可能影响三玻色子产生的有效场论系数都设定了界限，这在相关研究中尚属首次。
下图展示了所有末态下，判别变量每个区间(共37个区间)的观测数据和预测背景产额。在下方的面板中，标明了每个末态的约束能力，以及结合所有末态得到的最终约束。
上图：所有末态下，37个区间事件数的分布。x轴标签使用的简写符号包含了末态的信息(SR代表信号区域)，具体说明了轻子的数量及其特定性质，以及被识别为源自W或Z玻色子的喷注数量。
从数据看，观测结果与标准模型预期一致。研究中共有52个事件位于能量最高的区间。虽然这些事件仍未显示出超出标准模型的明确偏差，但它们覆盖了相空间中的极端区域，因此仍具有重要研究价值。
三玻色子过程极其罕见，过去很难开展系统研究。随着CMS实验积累的数据量不断增加，科学家才得以对这类事件进行更深入的分析。正在进行的大型强子对撞机第三次运行将在更高质心能量下继续获取更多数据，这将为后续寻找新物理迹象提供更扎实的基础。
