Quarks observeret at interagere via små svage lyssværd

To af de sjældneste processer, der hidtil er blevet undersøgt ved Large Hadron Collider, spredningen mellem W- og Z-bosoner udsendt af kvarker i proton-proton-kollisioner, er blevet etableret af ATLAS-eksperimentet på CERN.

W- og Z-bosoner spiller den samme formidlende rolle for den svage nukleare interaktion, som fotoner gør for elektromagnetisme. Når lysstråler af fotoner fra fakler eller lasere upåvirket trænger ind i hinanden, elektromagnetiske "lyssværd" vil for altid forblive science fiction. Imidlertid, stråler af W- og Z-bosoner - eller "svage lysstråler" - kan spredes fra hinanden.

En af hovedmotivationerne for at bygge Large Hadron Collider (LHC) på CERN var at studere præcis denne proces, kaldet svag "vektorbosonspredning" (VBS). En kvark i hver af to kolliderende protoner skal udstråle en W- eller en Z-boson. Disse ekstremt kortlivede partikler er kun i stand til at flyve en afstand på 0,1x10 ^-15 m før omdannelse til andre partikler, og deres interaktion med andre partikler er begrænset til et område på 0,002x10 ^-15 m. Med andre ord, disse ekstremt korte "svage lyssværd" strækker sig kun omkring 1/10 af en protons radius og skal nærme sig hinanden med 1/500 af en protons radius! Sådan et ekstremt usandsynligt tilfælde sker kun cirka én gang ud af 20, 000 milliarder proton-proton interaktioner, registreret typisk på én dag med LHC-operation.

Ved hjælp af 2016-data, ATLAS har nu utvivlsomt observeret WZ og WW elektrosvag produktion, hvor den dominerende del af det er den svage vektorbosonspredning:W ^± W ^± → W ^± W ^± og W ^± Z → W ^± Z. Dette fortsætter eksperimentets lange rejse for at granske VBS-processen:ved hjælp af 8 TeV-data fra 2012, ATLAS havde fået det første bevis for W ^± W ^± → W ^± W ^± proces med 18 kandidatarrangementer. Et sådant udbytte ville forekomme med en sandsynlighed på mindre end 1:3000 som en ren statistisk udsving. Nu, ved en højere massecenterenergi på 13 TeV, ATLAS har identificeret 60 W ^± W ^± → W ^± W ^± begivenheder, hvilket kun ville ske mindre end én gang i 200 milliarder tilfælde som en udsving fra rene baggrundsprocesser. Dette svarer til en statistisk signifikans på 6,9 standardafvigelser (σ) over baggrund. Udover henfaldsprodukterne fra de spredte W- eller Z-bosoner, signaturen på processen er to højenergetiske partikelstråler, der stammer fra de to kvarker, der oprindeligt udstrålede W eller Z.

ATLAS har også kombineret 2015- og 2016-data for at fastslå spredningen af ​​W ^± Z → W ^± Z med en statistisk signifikans på 5,6 σ over baggrunden. I denne kanal, lavere energidata fra 2012 havde afsløret en betydning på kun 1,9σ, ikke tilstrækkeligt til at hævde noget bevis for processen. Denne gang, takket være en multivariat "BDT"-analyseteknik implementeret i 2016, ATLAS var i stand til at isolere 44 signalkandidatbegivenheder, hvoraf omkring halvdelen viser "BDT-score"-værdier over 0,4, hvor kun lidt baggrund er til stede.

Til denne spredningsproces af vektorbosoner, tre grundlæggende Standard Model "hjørnepunkter" bidrager:interaktionen via den velkendte "triple-boson-coupling" reduceres drastisk af bidragene fra "quartic-boson-couplings" og "boson-Higgs-koblingerne". Kun sidstnævnte sikrer, at hastigheden af ​​denne spredning for store massecenterenergier overholder den grundlæggende "enhedslov" at en sandsynlighed ikke kan være større end 100 %. Med opdagelsen af ​​VBS, et nyt kapitel af standardmodeltest er startet, giver ATLAS mulighed for at granske Higgs-bosonens higgs higgs hidtil utilgængelige quartic-boson-koblinger og egenskaber.