Tredobbelt trussel:Den første observation af tre massive gauge bosoner produceret i proton-proton kollisioner

Standardmodellen, den mest udtømmende eksisterende teori, der skitserer grundlæggende partikelinteraktioner, forudsiger eksistensen af, hvad der er kendt som triboson-interaktioner. Disse interaktioner er processer, hvor tre-gauge bosoner samtidig produceres fra en Large Hadron Collider-begivenhed.

Triboson-interaktioner er utroligt sjældne, ofte op til hundredvis af gange sjældnere end Higgs bosonhændelser, da de typisk finder sted én gang for hver 100 milliarder proton-proton-kollisioner. Selvom standardmodellen forudsiger deres eksistens, fysikere havde hidtil ikke været i stand til at observere dem eksperimentelt.

CMS-samarbejdet, en stor gruppe forskere fra adskillige fysikinstitutter verden over har for nylig observeret produktionen af ​​tre massive gauge bosoner i proton-proton-kollisioner for første gang nogensinde. Deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , tilbyder det første eksperimentelle bevis på eksistensen af ​​triboson-interaktioner, åbner op for nye muligheder for undersøgelsen af ​​interaktionerne mellem fundamentale massive gauge bosoner, nemlig W±, Z, og Higgs boson.

"Sældenheden og nyheden ved triboson-interaktioner var den vigtigste vejledende kraft bag vores beslutning om at gå i gang med en søgen efter disse begivenheder, "Saptaparna Bhattacharya, post-doc forskningsassistent ved Northwestern University og fremtrædende forsker ved LHC Physics Center i Fermilab, fortalte Phys.org. "Vores præstation er en kulmination af tidligere forsøg på at lede efter disse processer fra både ATLAS- og CMS-samarbejdet i centrum af masseenergier på 8 og 13 TeV."

CMS-eksperimentet er en igangværende forskningsindsats baseret på brugen af ​​en generel detektor ved LHC (dvs. Compact Muon Solenoid eller CMS). I løbet af de sidste par år, Bhattacharya og resten af ​​CMS Collaboration brugte denne detektor til at indsamle data relateret til partikelinteraktioner, som kunne hjælpe med at søge efter mørkt stof og lette opdagelsen af ​​ny fysik.

I deres nylige undersøgelse, forskerne undersøgte et stort datasæt udarbejdet ved hjælp af detektoren mellem 2016 og 2018, da de indså, at triboson-interaktioner bliver mere tilgængelige og har hændelseshastigheder, der er store nok til at kunne skelnes fra baggrundssignaler. De satte sig således for at søge efter tribosoner eller VVV (dvs. hvor V=W+, W-, Z-bosoner) og fastslå eksistensen af ​​triboson-interaktoner ved 5,7 standardafvigelser, hvilket indebærer, at sandsynligheden for, at observationen er en udsving i baggrunden, er en ud af 10 ⁶ , eller én ud af 1 mio.

"Mens størstedelen af ​​triboson-henfaldstilstande involverer hadroniske jetfly, en delmængde af begivenheder, der giver anledning til elektroner og myoner (samlet kendt som leptoner) fører til karakteristiske signaturer i detektoren, " Bhattacharya forklarede. "CMS-detektoren er det bedst kendte instrument til at detektere leptoner, og vi udnyttede denne funktion til at isolere de sjældne VVV-hændelser fra baggrundsprocesser."

Sandsynligheden for, at store bosoner vil blive produceret i proton-proton-kollisioner er større ved et massecenterenergi på 13 TeV, sammenlignet med lavere massecenterenergier vurderet i tidligere undersøgelser. Ved at bruge optimale signalvalgskrav, forskerne var således i stand til at isolere den sjældne triboson-proces fra baggrundssignaler i 2016-2018 CMS-datasættet.

"Tilstedeværelsen af ​​W±- og Z-bosonerne produceret i proton-proton-kollisioner kan udledes ved at detektere deres henfaldsprodukter, "Philip Chang, post-doc forsker ved University of California San Diego og en del af CMS Collaboration, fortalte Phys.org. "Et af de tydeligste tegn på deres tilstedeværelse er påvisningen af ​​højmomentum elektroner og myoner. Da processen vi ønskede at detektere involverer tre massive gauge bosoner, flere elektroner og myoner bør være til stede, når begivenheden finder sted, mens i andre baggrundsbegivenheder, der ikke producerer flere massive-gauge bosoner, antallet af elektroner og myoner er lavt. Vi ledte derfor efter proton-proton kollisionshændelser med flere elektroner og myoner for at observere den meget sjældne signalproces fra baggrundsbegivenheder."

I de data, de analyserede, Bhattacharya, Chang og resten af ​​CMS Collaboration identificerede klart produktionen af ​​tre massive gauge bosoner i en proton-proton kollision. Deres resultater er et væsentligt bidrag til partikelfysikområdet, da de introducerer nye muligheder for at studere interaktioner mellem massive gauge bosoner. I fremtiden, denne undersøgelse kunne hjælpe med at forbedre den nuværende forståelse af forskellige typer store bosoner, inklusive det nyligt opdagede Higgs-boson.

"Observationen af ​​produktionen af ​​tre tunge bosoner i en LHC-kollision udgør en vigtig milepæl i LHC-fysikken, " Bhattacharya forklarede. "I begyndelsen, vi var skeptiske over for at opdage disse processer på et så tidligt tidspunkt af LHC-programmet. Denne opdagelse kaster lys over den grundlæggende interaktion mellem gauge-bosoner og åbner et nyt vindue til de indviklede detaljer i standardmodellen."

CMS Collaboration planlægger nu at udføre yderligere undersøgelser, der udforsker den proces, de opdagede, samt at udvide deres analyse til også at søge efter begivenheder med W±, og Z-boson henfalder til kvarker og neutrinoer. Dette vil give dem mulighed for at teste gyldigheden af ​​standardmodellen yderligere og potentielt afsløre nye fysiske fænomener, som ikke kan forklares af eksisterende fysikteorier.

"Vi studerer i øjeblikket triboson-interaktioner i detaljer, efter at have etableret deres eksistens, " sagde Chang. "Et af hovedmålene med vores næste papir vil være at granske de nyopdagede tribosonprocesser og søge efter afslørende tegn på fysik ud over, hvad der er forudsagt af standardmodellen."

© 2020 Science X Network