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Tripla minaccia: la prima osservazione di tre bosoni di gauge massivi prodotti in collisioni protone-protone

Visualizzazione degli eventi di collisione protone-protone registrati dall’esperimento CMS. Un evento candidato di produzione simultanea di W +, due bosoni Z, con più elettroni e muoni (cioè 5 elettroni in questo caso). Credito: CMS Collaboration.

Il Modello Standard, la teoria esistente più esaustiva che delinea le interazioni fondamentali delle particelle, prevede l’esistenza di quelle che sono note come interazioni triboson. Queste interazioni sono processi in cui i bosoni a tre gauge vengono prodotti simultaneamente da un evento Large Hadron Collider.

Le interazioni di Triboson sono incredibilmente rare, spesso fino a centinaia di volte più rare degli eventi del bosone di Higgs, poiché si verificano tipicamente una volta ogni 100 miliardi di collisioni protone-protone . Sebbene il modello standard preveda la loro esistenza, i fisici finora non erano stati in grado di osservarli sperimentalmente.

La collaborazione CMS, un folto gruppo di ricercatori di numerosi istituti di fisica in tutto il mondo, ha recentemente osservato per la prima volta in assoluto la produzione di tre enormi bosoni di gauge in collisioni protone-protone. Il loro articolo, pubblicato su Physical Review Letters , offre la prima prova sperimentale dell’esistenza di interazioni triboson, aprendo nuove possibilità per lo studio delle interazioni tra bosoni di gauge massivi fondamentali, vale a dire il bosone W ±, Z e Higgs.

“La rarità e la novità delle interazioni triboson è stata la principale forza guida dietro la nostra decisione di intraprendere una ricerca di questi eventi”, ha detto Saptaparna Bhattacharya, ricercatrice post-dottorato presso la Northwestern University e illustre ricercatrice presso il Centro di fisica LHC al Fermilab. “Il nostro risultato è il culmine dei precedenti tentativi di cercare questi processi da entrambe le collaborazioni ATLAS e CMS al centro di energie di massa di 8 e 13 TeV”.

L’esperimento CMS è uno sforzo di ricerca in corso basato sull’uso di un rilevatore generico presso l’LHC (ovvero il Compact Muon Solenoid o CMS). Negli ultimi anni, Bhattacharya e il resto della collaborazione CMS hanno utilizzato questo rilevatore per raccogliere dati relativi alle interazioni tra particelle, che potrebbero aiutare la ricerca di materia oscura e facilitare la scoperta di nuova fisica.

Nel loro recente studio, i ricercatori hanno esaminato un ampio set di dati compilato utilizzando il rilevatore tra il 2016 e il 2018, rendendosi conto che le interazioni triboson stanno diventando più accessibili e hanno tassi di eventi abbastanza grandi da essere distinti dai segnali di fondo. Hanno quindi deciso di cercare tribosoni o VVV (cioè, dove V = W +, W-, bosoni Z) e stabilire l’esistenza di interattoni triboson a 5.7 deviazioni standard, il che implica che la probabilità che l’osservazione sia una fluttuazione del fondo è uno su 10 6 o uno su 1 milione.

“Mentre la maggior parte delle modalità di decadimento triboson coinvolge getti adronici, un sottoinsieme di eventi che danno origine a elettroni e muoni (noti collettivamente come leptoni) portano a firme distintive nel rivelatore”, ha spiegato Bhattacharya. “Il rilevatore CMS è lo strumento più noto per rilevare i leptoni e abbiamo sfruttato questa caratteristica per isolare i rari eventi VVV dai processi in background”.

La probabilità che grandi bosoni vengano prodotti in collisioni protone-protone è maggiore a un centro di energia di massa di 13 TeV, rispetto alle energie del centro di massa inferiori valutate in studi precedenti. Utilizzando requisiti di selezione del segnale ottimali, i ricercatori sono stati quindi in grado di isolare il raro processo triboson dai segnali di sfondo nel set di dati CMS 2016-2018.

“La presenza dei bosoni W ± e Z prodotti nelle collisioni protone-protone può essere dedotta rilevando i loro prodotti di decadimento”, ha detto Philip Chang, ricercatore post-dottorato presso l’Università della California di San Diego e parte della collaborazione CMS. . “Uno dei segni più chiari della loro presenza è il rilevamento di elettroni e muoni ad alta quantità di moto. Poiché il processo che volevamo rilevare coinvolge tre bosoni di gauge massivi, più elettroni e muoni dovrebbero essere presenti mentre si verifica l’evento, mentre in un altro sfondo eventi che non producono più bosoni di gauge massivo, il numero di elettroni e muoni è basso. Abbiamo quindi cercato eventi di collisione protone-protone con più elettroni e muoni per osservare il processo del segnale molto raro da eventi di fondo “.

Nei dati che hanno analizzato, Bhattacharya, Chang e il resto della collaborazione CMS hanno chiaramente identificato la produzione di tre bosoni di gauge massivi in ​​una collisione protone-protone. Le loro scoperte sono un contributo significativo al campo della fisica delle particelle, poiché introducono nuove possibilità per lo studio delle interazioni tra bosoni di gauge massivi. In futuro, questo studio potrebbe aiutare a migliorare l’attuale comprensione di diversi tipi di bosoni di grandi dimensioni, compreso il bosone di Higgs scoperto di recente.

“L’osservazione della produzione di tre bosoni di calibro pesante in una collisione LHC costituisce una pietra miliare nella fisica LHC”, ha spiegato Bhattacharya. “All’inizio eravamo scettici riguardo alla scoperta di questi processi in una fase così precoce del programma LHC. Questa scoperta getta luce sull’interazione fondamentale tra i bosoni di gauge e apre una nuova finestra sugli intricati dettagli del Modello Standard”.

La collaborazione CMS prevede ora di condurre ulteriori studi esplorando il processo che hanno rilevato, oltre ad espandere la propria analisi per cercare anche eventi con decadimenti del bosone W ± e Z in quark e neutrini. Ciò consentirà loro di testare ulteriormente la validità del Modello Standard e potenzialmente svelare nuovi fenomeni fisici che non possono essere spiegati dalle teorie fisiche esistenti.

“Attualmente stiamo studiando le interazioni triboson in dettaglio, dopo aver stabilito la loro esistenza”, ha detto Chang. “Uno degli obiettivi principali del nostro prossimo articolo sarà esaminare i processi triboson appena scoperti e cercare segni rivelatori della fisica oltre a quanto previsto dal modello standard”.

 

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