Fysikere måler fælles polarisering af bærere af den svage kraft

I standardmodellen for partikelfysik giver Brout-Englert-Higgs-mekanismen masse til elementarpartikler. Mens fysikere udfører direkte undersøgelser af Higgs-bosonen for at teste denne mekanisme, kan sonder af andre partikler, der har masse, også give indsigt. For eksempel får W- og Z-bosonerne - bærerne af den svage kraft - deres masse fra Higgs-mekanismen. Dette påvirker deres polarisering, det vil sige den grad, hvormed deres kvantespin er justeret i en given retning. W- og Z-bosonerne har et spin på 1 og kan polariseres i længderetningen som en direkte konsekvens af, at de er massive - med andre ord kan deres spin orienteres vinkelret på deres bevægelsesretning.

Den samtidige produktion af to W- eller Z-bosoner (eller "diboson"-produktion) gør det muligt for fysikere at studere fundamentale interaktioner mellem bosoner. Disse sjældne processer mangler endnu at blive testet fuldt ud mod forudsigelser fra Standard Model, og at studere polariseringen af ​​de producerede bosoner er en måde at potentielt afsløre nye fysikeffekter. Mens polariseringen af ​​W- og Z-bosoner hver for sig er blevet undersøgt siden æraen af ​​Large Electron-Positron (LEP)-kollideren, forgængeren til Large Hadron Collider (LHC), er to sådanne bosoner produceret samtidigt med en langsgående polarisering aldrig blevet observeret . Med det væld af data indsamlet under kørsel 2 af LHC og innovative analysemetoder er ATLAS-forskere nu i stand til at studere de fælles polarisationstilstande af dibosonproduktionsbegivenheder.

I en ny undersøgelse, der blev præsenteret på ICHEP 2022-konferencen, har ATLAS-fysikere været i stand til at observere begivenheder med både en W- og en Z-boson samtidigt polariseret i længderetningen for allerførste gang. For at opnå dette resultat identificerede forskerne hændelser indeholdende både et W-boson og et Z-boson. De fokuserede på begivenheder, hvor bosonerne forvandler eller "henfalder" til partikler kaldet leptoner, da disse efterlader den klareste signatur i ATLAS-detektoren. Polariseringen af ​​forældrebosonerne i sådanne WZ-begivenheder manifesterer sig i vinkel-observerbare objekter, der har meget distinkte fordelinger for forskellige polarisationstilstande.

Imidlertid er ikke alle de fire mulige WZ-ledpolarisationstilstande - langsgående-langsgående, langsgående-tværgående, tværgående-langsgående og tværgående-tværgående - lige sandsynlige. De mest interessante begivenheder, hvor begge bosoner udviser en langsgående polarisering, er godt skjulte – de repræsenterer kun omkring 7 % af alle WZ-begivenheder, svarende til kun 1.200 af de 17.100 WZ-begivenheder, der er studeret af ATLAS.

For at overvinde de største eksperimentelle udfordringer udviklede forskere dedikerede maskinlæringsalgoritmer til at udtrække fraktionerne af de fire typer ledpolarisationshændelser med en relativ usikkerhed på højst omkring 20 %. De fandt, at standardmodellens forudsigelser for disse fraktioner altid ligger inden for 95,5 % konfidensniveauområdet for målingerne, hvilket betyder, at der ikke er nogen signifikant spænding med teorien. Forskere fandt også, at produktet af de to enkeltboson longitudinelle polarisationsfraktioner er omkring 50% under den faktiske longitudinal-longitudinal joint-polarisation fraktion. Dette er et direkte mål for den rolle, som korrelationerne mellem de to bosoner spiller og viser, at de to enkeltbosonpolarisationer ikke er uafhængige.

Dette resultat er et fascinerende kig ind i nogle af de mest fundamentale strukturer i selve standardmodellen. Og gennemførligheden af ​​fælles-polariseringsmålinger giver nye muligheder for at lede efter nye fysikfænomener, rettet mod mere specifikke (og sjældnere) processer. Med udgangspunkt i de nye teknikker, der er udviklet her, kan fysikere nu forestille sig den endnu mere udfordrende fælles-polarisationsmåling af spredningen af ​​to langsgående polariserede bosoner. + Udforsk yderligere

Forfining af billedet af Higgs-bosonen