ATLAS rapporterer første observation af WWW-produktion

ATLAS-samarbejdet ved CERN annoncerer den første observation af "WWW-produktion":Den samtidige skabelse af tre massive W-bosoner i højenergikollisioner med Large Hadron Collider (LHC).

Som en bærerpartikel af den elektrosvage kraft, W-bosonen spiller en afgørende rolle i standardmodellen for partikelfysik. Selvom det blev opdaget for næsten fire årtier siden, W-bosonet fortsætter med at give fysikere nye muligheder for udforskning. I særdeleshed, dens undersøgelse har gjort det muligt for forskere at teste standardmodellen gennem præcise målinger af sjældne processer.

I dag, ved EPS-HEP-konferencen 2021, ATLAS-samarbejdet annoncerede den første observation af en sjælden proces:Den samtidige produktion af tre W-bosoner. ATLAS-forskere analyserede hele LHC Run-2-datasættet, optaget af detektoren mellem 2015 og 2018, at observere processen med en statistisk signifikans på 8,2 standardafvigelser - et godt stykke over den tærskel på 5 standardafvigelser, der er nødvendig for at påstå observation. Dette resultat følger en tidligere observation fra CMS Collaboration af inklusive produktion af tre svage bosoner.

At opnå dette niveau af præcision var ingen ringe bedrift. Fysikere analyserede omkring 20 milliarder kollisionshændelser registreret og forfiltreret af ATLAS-eksperimentet, leder efter blot et par hundrede begivenheder, der forventes fra WWW-processen. Disse begivenheder blev begravet i næsten fem gange flere baggrundsbegivenheder, der efterligner signalsignaturen.

Som en af ​​de tungeste kendte elementarpartikler, W-bosonen er i stand til at henfalde på flere forskellige måder. ATLAS-fysikere fokuserede deres søgning på de fire WWW-henfaldstilstande med det bedste opdagelsespotentiale, på grund af deres reducerede antal baggrundsbegivenheder. I tre af disse tilstande, to W-bosoner henfalder til ladede leptoner (elektroner eller myoner), bærer den samme positive eller negative ladning, og neutrinoer, mens den tredje W-boson henfalder til et par lette kvarker (kaldet "2l-kanalerne"). I den fjerde henfaldstilstand, alle de tre W-bosoner henfalder til en ladet lepton og neutrino (kaldet "3l-kanalen").

For at udvælge WWW-signalet fra det store antal baggrundsbegivenheder, forskere brugte en maskinlæringsteknik kaldet Boosted Decision Trees (BDT'er). BDT'er kan trænes til at identificere specifikke signaler i ATLAS-detektoren, opdager små – men vigtige – forskelle mellem velkendte variable. Til denne analyse, fysikere trænede to BDT'er:En til 2l-kanalerne ved hjælp af 12 velmodellerede variabler, og den anden for 3l-kanalen med 11 variable.

Figuren viser BDT-fordelingen for 3l-kanalen. Den forbedrede separationskraft mellem signal og baggrund leveret af BDT – sammen med det massive datasæt leveret af Run 2 af LHC – forbedrede præcisionen af ​​den overordnede måling og muliggjorde den første observation af http://www. Den observerede signifikans af målingen er 8,2 standardafvigelser. Tværsnittet blev målt til at være 850 ± 100 (statistisk) ± 80 (systematisk) fb, sammenlignet med standardmodellens forudsagte tværsnit på 511 ± 42 fb.

Denne spændende måling gør det også muligt for fysikere at lede efter hints om nye interaktioner, der kan eksistere uden for LHC'ens nuværende energirækkevidde. I særdeleshed, fysikere kan bruge WWW-produktionsprocessen til at studere quartic gauge boson-koblingen, en nøgleparameter i standardmodellen. Nye partikler kunne ændre quartic gauge boson-koblingen gennem kvanteeffekter, ændring af WWW-produktionstværsnittet. Den fortsatte undersøgelse af WWW og andre elektrosvage processer giver en lokkende vej frem.