Иллюстрация: CERN. Ученые из коллаборации ATLAS на Большом адронном коллайдере объявили о регистрации экспериментального открытия уникального физического процесса, где одновременно образуются три W-бозона в результате столкновений нескольких протонов. Полученные данные обладают статистической значимостью 8,2σ, что существенно превышает порог в 5σ, необходимый для утверждения открытия. Ранее этот процесс был зафиксирован как на установке ATLAS, так и на эксперименте CMS, однако уровень статистической достоверности полученных результатов не превышал 3,3σ. Исследование подобных редких явлений позволит исследователям провести строгую проверку предсказаний Стандартной модели физики элементарных частиц. Результаты открытия были представлены участниками коллаборации ATLAS на конференции EPS-HEP. Подробный отчет о работе опубликован на сайте эксперимента.
W-бозон является одной из наиболее массивных элементарных частиц в рамках Стандартной модели. Этот калибровочный бозон, вместе со своим партнером по SU(2) группе Z-бозоном, отвечает за перенос слабого взаимодействия между различными частицами.
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.
Диаграммы Фейнмана для процессов одновременного рождения трех W-бозонов. The ATLAS Collaboration
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.
Численность отобранных событий, отвечающих требованиям для продуктов распада трех W-бозонов на два лептона (левые три бина) и на три лептона (центральный бин), а также для контрольных событий распада пары W-бозона и Z-бозона (правые три бина). Желтым цветом обозначены искомые события. The ATLAS Collaboration
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.
Автор: Никита Козырев
Источник: https://nplus1.ru/
