Физики впервые наблюдали рождение трех бозонов в протон-протонных столкновениях
Стандартная модель, наиболее исчерпывающая из существующих теорий, описывающих взаимодействия фундаментальных частиц, предсказывает существование так называемых трехбозонных взаимодействий. Эти взаимодействия представляют собой процессы, в которых бозоны трех видов одновременно возникают в результате одного события на Большом адронном коллайдере.
Трехбозонные взаимодействия невероятно редки, часто в сотни раз реже, чем события с бозоном Хиггса, поскольку обычно они происходят раз на 100 миллиардов протон-протонных столкновений. Хотя Стандартная модель предсказывает их существование, физики до сих пор не могли наблюдать их экспериментально.
CMS Collaboration, большая группа исследователей из множества физических институтов по всему миру, недавно впервые наблюдала образование трех массивных калибровочных бозонов в протон-протонных столкновениях (калибровочные бозоны — это бозоны, которые действуют как переносчики фундаментальных взаимодействий).
Их статья, опубликованная в Physical Review Letters, предлагает первые экспериментальные доказательства существования трехбозонных взаимодействий, открывая новые возможности для изучения взаимодействий между фундаментальными массивными калибровочными бозонами, а именно бозоном W ±, Z и бозоном Хиггса.
«Редкость и новизна трехбозонных взаимодействий были главной движущей силой нашего решения начать поиск этих событий», — сказал Саптапарна Бхаттачарья, научный сотрудник Центра физики БАК в Фермилабе. «Наше достижение является кульминацией предыдущих попыток поиска этих процессов, предпринятых как ATLAS, так и CMS при энергиях 8 и 13 ТэВ».
Эксперимент CMS — это продолжающиеся исследования, основанные на использовании детектора общего назначения на БАК (например, компактного мюонного соленоида или CMS). За последние несколько лет участники CMS Collaboration использовали этот детектор для сбора данных, связанных с взаимодействием частиц, которые могли бы помочь в поисках темной материи и облегчить открытие новой физики.
В своем недавнем исследовании физики изучили большой набор данных, собранный с помощью детектора в период с 2016 по 2018 год, поскольку они поняли, что взаимодействия трибозонов становятся более доступными и имеют достаточно высокую частоту событий, чтобы их можно было отличить от фоновых сигналов.
Таким образом, они приступили к поиску трибозонов или VVV ( где V = W +, W-, Z-бозоны) и установили существование трехбозонных взаимодействий при 5,7 стандартных отклонениях, что означает, что вероятность наблюдения является флуктуацией фона 1 из 106, или один шанс из миллиона.
«Наблюдение за образованием трех тяжелых калибровочных бозонов в одном столкновении является важной вехой в физике БАК», — объяснил Саптапарна Бхаттачарья. «Вначале мы скептически относились к обнаружению этих процессов на столь ранней стадии программы БАК. Это открытие проливает свет на фундаментальное взаимодействие между калибровочными бозонами и открывает новое окно в сложные детали Стандартной модели».
Коллаборация CMS теперь планирует провести дальнейшие исследования для изучения процесса, который они обнаружили, а также расширить свой анализ, чтобы также искать события с распадами W ± и Z-бозонов на кварки и нейтрино.
Это позволит им дополнительно проверить правильность Стандартной модели и потенциально раскрыть новые физические явления, которые нельзя объяснить существующими физическими теориями.