Эксперимент ATLAS подтвердил одновременное рождение трех W‑бозонов

CERN

Участники эксперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере сообщили об экспериментальном открытии процесса одновременного рождения трех W-бозонов в протон-протонных столкновениях. Статистическая точность результата достигла 8,2σ и тем самым превысила необходимые для открытия 5σ. Ранее данный процесс уже наблюдался как на ATLAS, так и в эксперименте CMS, но статистическая точность полученных тогда результатов не превышала 3,3σ. Изучение подобных редких процессов позволит ученым проверить на прочность существующие предсказания Стандартной модели. Участники ATLAS рассказали об открытии на проходящей сейчас конференции EPS-HEP 2021, а подробный доклад опубликован на сайте эксперимента.

W-бозон — одна из самых тяжелых элементарных частиц в рамках Стандартной модели. Этот калибровочный бозон и его «партнер» по SU(2) группе Z-бозон являются переносчиком слабого взаимодействия: разные частицы обмениваются ими при течении слабых процессов. Сам W-бозон был открыт почти 40 лет назад, а теоретическая конструкция, предсказывающая его существование, была создана еще в 1967 году. Тем не менее подробное изучение этого бозона продолжается до сих пор: эта элементарная частица может участвовать в крайне редких процессах, в которых исследователи надеются найти следы Новой физики.

Одним из таких редких процессов с участием W-бозона является одновременное рождение сразу трех таких частиц. Квантовая хромодинамика предсказывает, что три векторных бозона могут одновременно родиться при излучении каждого из бозонов фермионом, при рождении промежуточного бозона (к примеру, Z-бозона или бозона Хиггса) с его распадом в два векторных бозона, а также при одновременном рождении трех векторных бозонов из промежуточного векторного бозона. Такие процессы одновременного рождение трех бозонов особенно интересны физикам из-за того, что по ним можно оценить силу взаимодействия сразу трех и четырех калибровочных бозонов друг с другом. Согласно существующим предсказаниям, этот параметр особо чувствителен к еще не открытым частицам и другим проявлениям физики за пределами Стандартной модели, которые невозможно иным образом заметить на доступных физикам энергиях.

Но для дальнейших исследований ученым необходимо научиться регистрировать столь редкие процессы с достаточной статистической точностью. Именно это удалось сделать участникам эксперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере: в наборе данных по протон-протонным столкновениям физикам удалось подтвердить существование событий с одновременным рождением трех W-бозонов со статистической точностью в 8,2σ. Такая большая точность (для открытия достаточно и 5σ) позволяет с уверенностью сказать, что этот результат — не случайность, и что на БАК регулярно (хоть и очень редко) происходят такие события. Ранее ученые уже находили следы одновременного рождения трех W-бозонов, но тогда для открытия исследователям не хватило статистической точности: на ATLAS она составила 3,2σ, а эксперимент CMS насчитал 3,3σ. Теперь же большее количество данных и улучшенных алгоритм поиска искомых событий позволил подтвердить и усилить прошлые наблюдения.

В ходе работы физики обработали данные по порядка 20 миллиардам столкновений, накопленных за первые два сеанса работы БАК. Регистрировали родившиеся W-бозоны по продуктам их распада. В первом приближении, три W-бозона могут распасться по двум основным каналам: на два лептона одного заряда, два нейтрино и два кварка, либо на три лептона одного заряда и три нейтрино (в обоих случаях каждый из лептонов может быть либо электроном, либо мюоном). В первом случае результатом распада будет регистрация двух лептонов одного заряда с потерей поперечного импульса (за счет нейтрино), а также двух джетов. Во втором случае, напротив, будут наблюдаться только три лептона без джетов, но все еще с потерей поперечного импульса.

Для поиска таких событий в общем массиве данных и ученые использовали алгоритм машинного обучения, которых по характерным ограничениям на энергию и направление движения продуктов распада отделял искомые события от фона. В качестве калибровки алгоритма использовали события с распадами пары W-бозона и Z-бозона на лептоны с нулем, одним или двумя джетами. В результате фоновых событий во всех каналах распада оказалось в разы больше, чем событий с искомым одновременным рождением трех W-бозонов. Тем не менее ученым удалось отобрать почти три сотни искомых событий и измерить суммарное сечение исследуемого процесса: оно оказалось равно 850 ± 180 фемтобарн.

W-бозон интересен не только редкими процессами со своим участием: недавно ученые использовали его распад для проверки лептонной универсальности Стандартной модели. Характеристики самого W-бозон также продолжают изучать и уточнять: мы писали об особо точном измерении массы этого бозона, которое также провели на эксперименте ATLAS.

Никита Козырев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.