Het ATLAS-experiment op CERN heeft zojuist bewijs vrijgegeven voor de gelijktijdige productie van drie W- of Z-bosonen in proton-protonbotsingen bij de Large Hadron Collider (LHC). De W- en Z-bosonen zijn de mediatordeeltjes van de zwakke kracht - een van de vier bekende fundamentele krachten - die verantwoordelijk is voor het fenomeen radioactiviteit en een essentieel ingrediënt is voor het thermonucleaire proces van onze zon.

Een nieuw venster voor verkenning

Het nieuwe ATLAS-resultaat is gebaseerd op gegevens die ATLAS in 2015–2017 heeft verzameld bij een botsingsenergie van 13 TeV. Het levert bewijs van "tri-boson"-gebeurtenissen met een significantie van 4 standaarddeviaties. Deze indicatie is slechts het laatste hoofdstuk in een decennialange geschiedenis van metingen met zwakke bosonen. De W- en Z-bosonen werden in 1983 ontdekt bij CERN's proton-antiproton-botser. 1996, bij CERN's Large Electron-Positron (LEP) versneller, gebeurtenissen met twee W-bosonen werden voor het eerst waargenomen, en kort daarna werden ZZ-events gevonden. Een decennium daarna WW, WZ- en ZZ-gebeurtenissen werden waargenomen bij de Tevatron-botser van Fermilab. Er worden nu grote hoeveelheden dibosongebeurtenissen geproduceerd in de LHC, nauwkeurige metingen mogelijk maken.

Zeldzame tri-bosonproductieprocessen worden voorspeld door het standaardmodel van de deeltjesfysica. Hun productie omvat zelfinteractie tussen de zwakke bosonen, zogenaamde triple en quartic gauge boson koppelingen, die gevoelig zijn voor mogelijke bijdragen van nog onbekende deeltjes of krachten.

Omdat zwakke bosonen onstabiel zijn, ze worden in de detector gereconstrueerd via hun verval tot paren leptonen (inclusief onzichtbare neutrino's) of quarks - de laatste vormen sprays van deeltjes, "jets" genoemd. Natuurkundigen van ATLAS combineerden zoektochten naar verschillende vervalmodi en verschillende soorten tri-bosonproductie, inclusief gebeurtenissen met drie W-bosonen ("WWW"), en gebeurtenissen met één W-boson, één Z-boson en een derde boson van beide variëteiten. Deze laatste staan ​​bekend als "WVZ"-evenementen, waarbij de "V" een afkorting is voor "W of Z."

Een techniek die door natuurkundigen van ATLAS werd gebruikt om naar "WWW"-gebeurtenissen te zoeken, gebruikte de berekende invariante massa van twee jets en vergeleek deze met de massa van het W-boson (Figuur 1). Hierdoor konden ze bepalen of de jets het resultaat waren van een W-bosonverval. Dergelijke technieken worden al tientallen jaren door natuurkundigen gebruikt (ook bij de ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012).

De WVZ-analyse, anderzijds, maakt gebruik van machine learning-technieken om tri-bosongebeurtenissen te identificeren. Verschillende multivariate algoritmen in de vorm van versterkte beslissingsbomen (BDT's) zijn getraind om te leren welke gebeurtenissen in gegevens afkomstig zijn van tri-bosonproductie en welke voortkomen uit andere standaardmodelprocessen. Door rekening te houden met verschillende kenmerken van de gebeurtenis, zoals de momenta van de leptonen, de algehele onbalans in het momentum en het aantal jets - de BDT's zijn in staat om (efficiënter dan mensen) de oorsprong van de gegevens af te leiden. uiteindelijk, de BDT's identificeerden enkele gegevens als waarschijnlijk afkomstig van WVZ-productie.

Allemaal samen, de resulterende ATLAS-meting (Figuur 2) blijkt in overeenstemming te zijn met de voorspelling van het standaardmodel, dus een extra stukje van de puzzel in ons begrip van deeltjesfysica.