Het standaardmodel, de meest uitgebreide bestaande theorie die fundamentele deeltjesinteracties schetst, voorspelt het bestaan ​​van zogenaamde triboson-interacties. Deze interacties zijn processen waarbij drie-gauge bosonen gelijktijdig worden geproduceerd uit één Large Hadron Collider-gebeurtenis.

Triboson-interacties zijn ongelooflijk zeldzaam, vaak tot honderden keren zeldzamer dan Higgs-bosongebeurtenissen, omdat ze typisch eens per 100 miljard proton-protonbotsingen plaatsvinden. Hoewel het standaardmodel hun bestaan ​​voorspelt, natuurkundigen hadden ze tot nu toe niet experimenteel kunnen observeren.

De CMS-samenwerking, een grote groep onderzoekers van talrijke natuurkundige instituten over de hele wereld hebben onlangs voor het eerst de productie van drie massieve ijkbosonen waargenomen in proton-protonbotsingen. hun papier, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , biedt het eerste experimentele bewijs van het bestaan ​​van triboson-interacties, het openen van nieuwe mogelijkheden voor de studie van de interacties tussen fundamentele massieve ijkbosonen, namelijk de W±, Z, en Higgs-boson.

"De zeldzaamheid en de nieuwigheid van triboson-interacties was de belangrijkste leidende kracht achter onze beslissing om op zoek te gaan naar deze gebeurtenissen, "Saptaparna Bhattacharya, postdoctoraal onderzoeksmedewerker aan de Northwestern University en vooraanstaand onderzoeker bij het LHC Physics Center in Fermilab, vertelde Phys.org. "Onze prestatie is een culminatie van eerdere pogingen om naar deze processen te zoeken door zowel de ATLAS- als de CMS-samenwerkingen bij massacentra van 8 en 13 TeV."

Het CMS-experiment is een voortdurende onderzoeksinspanning op basis van het gebruik van een detector voor algemene doeleinden bij de LHC (d.w.z. de Compact Muon Solenoid of CMS). De afgelopen jaren is Bhattacharya en de rest van de CMS-samenwerking gebruikten deze detector om gegevens te verzamelen met betrekking tot deeltjesinteracties, die het zoeken naar donkere materie zou kunnen helpen en de ontdekking van nieuwe fysica zou vergemakkelijken.

In hun recente studie, de onderzoekers onderzochten een grote dataset die tussen 2016 en 2018 met de detector was verzameld, omdat ze zich realiseerden dat triboson-interacties toegankelijker worden en gebeurtenissnelheden hebben die groot genoeg zijn om te worden onderscheiden van achtergrondsignalen. Ze gingen dus op zoek naar tribosons of VVV (d.w.z. waar V=W+, W-, Z-bosonen) en het bestaan ​​van triboson-interacties vaststellen bij 5,7 standaarddeviaties, wat inhoudt dat de kans dat de waarneming een fluctuatie van de achtergrond is, één op 10 is ⁶ , of één op 1 miljoen.

"Terwijl de meeste triboson-vervalmodi haddenronische jets omvatten, een subset van gebeurtenissen die aanleiding geven tot elektronen en muonen (gezamenlijk bekend als leptonen) leiden tot onderscheidende handtekeningen in de detector, " legde Bhattacharya uit. "De CMS-detector is het bekendste instrument voor het detecteren van leptonen en we hebben van deze functie gebruik gemaakt om de zeldzame VVV-gebeurtenissen te isoleren van achtergrondprocessen."

De kans dat grote bosonen worden geproduceerd bij proton-protonbotsingen is groter bij een massamiddelpuntsenergie van 13 TeV, vergeleken met lagere zwaartepuntenergieën die in eerdere onderzoeken zijn beoordeeld. Door gebruik te maken van optimale signaalselectie-eisen, zo konden de onderzoekers het zeldzame tribosonproces isoleren van achtergrondsignalen in de CMS-dataset 2016-2018.

"De aanwezigheid van de W±- en Z-bosonen geproduceerd in proton-protonbotsingen kan worden afgeleid door hun vervalproducten te detecteren, "Philip Chang, postdoctoraal onderzoeker aan de University of California San Diego en onderdeel van de CMS Collaboration, vertelde Phys.org. "Een van de duidelijkste tekenen van hun aanwezigheid is de detectie van elektronen en muonen met een hoog momentum. Aangezien het proces dat we wilden detecteren drie massieve ijkbosonen omvat, meerdere elektronen en muonen moeten aanwezig zijn als de gebeurtenis plaatsvindt, terwijl in andere achtergrondgebeurtenissen die niet meerdere massieve bosonen produceren, het aantal elektronen en muonen is laag. We zochten dus naar proton-protonbotsingsgebeurtenissen met meerdere elektronen en muonen om het zeer zeldzame signaalproces van achtergrondgebeurtenissen te observeren."

In de gegevens die ze analyseerden, Bhattacharya, Chang en de rest van de CMS-samenwerking identificeerden duidelijk de productie van drie massieve ijkbosonen in een proton-protonbotsing. Hun bevindingen zijn een belangrijke bijdrage op het gebied van deeltjesfysica, omdat ze nieuwe mogelijkheden introduceren voor het bestuderen van interacties tussen massieve ijkbosonen. In de toekomst, deze studie zou kunnen helpen om het huidige begrip van verschillende soorten grote bosonen te verbeteren, waaronder het recent ontdekte Higgs-deeltje.

"De waarneming van de productie van drie zware bosonen in één LHC-botsing vormt een belangrijke mijlpaal in de LHC-fysica, " legde Bhattacharya uit. "In het begin, we waren sceptisch over het ontdekken van deze processen in zo'n vroeg stadium van het LHC-programma. Deze ontdekking werpt licht op de fundamentele interactie tussen ijkbosonen en opent een nieuw venster in de ingewikkelde details van het standaardmodel."

De CMS-samenwerking is nu van plan om verder onderzoek te doen naar het gedetecteerde proces, naast het uitbreiden van hun analyse om ook naar evenementen te zoeken met W±, en Z-boson vervalt tot quarks en neutrino's. Dit zal hen in staat stellen om de geldigheid van het standaardmodel verder te testen en mogelijk nieuwe fysieke fenomenen te onthullen die niet kunnen worden verklaard door bestaande natuurkundige theorieën.

"We bestuderen momenteel triboson-interacties in detail, hun bestaan ​​hebben vastgesteld, " Chang zei. "Een van de belangrijkste doelen van ons volgende artikel zal zijn om de nieuw ontdekte tribosonprocessen te onderzoeken en te zoeken naar veelbetekenende tekenen van fysica die verder gaan dan wat wordt voorspeld door het standaardmodel."

© 2020 Wetenschap X Netwerk