De ATLAS-samenwerking bij CERN kondigt de eerste waarneming aan van "WWW-productie":de gelijktijdige creatie van drie massieve W-bosonen in hoogenergetische Large Hadron Collider (LHC)-botsingen.

Als dragerdeeltje van de elektrozwakke kracht, het W-boson speelt een cruciale rol in het standaardmodel van de deeltjesfysica. Hoewel bijna vier decennia geleden ontdekt, het W-boson blijft natuurkundigen nieuwe mogelijkheden bieden voor exploratie. Vooral, zijn studie heeft wetenschappers in staat gesteld om het standaardmodel te testen door middel van nauwkeurige metingen van zeldzame processen.

Vandaag, op de EPS-HEP-conferentie 2021, de ATLAS-samenwerking kondigde de eerste waarneming aan van een zeldzaam proces:de gelijktijdige productie van drie W-bosonen. ATLAS-onderzoekers analyseerden de volledige LHC Run-2-dataset, geregistreerd door de detector tussen 2015 en 2018, om het proces te observeren met een statistische significantie van 8,2 standaarddeviaties - ruim boven de 5 standaarddeviatiedrempel die nodig is om observatie te claimen. Dit resultaat volgt op een eerdere observatie door de CMS Collaboration van de productie van inclusieve drie zwakke bosonen.

Het was geen sinecure om dit niveau van precisie te bereiken. Natuurkundigen analyseerden ongeveer 20 miljard botsingsgebeurtenissen die zijn geregistreerd en vooraf gefilterd door het ATLAS-experiment, op zoek naar slechts een paar honderd gebeurtenissen die van het WWW-proces worden verwacht. Deze gebeurtenissen werden begraven in bijna vijf keer meer achtergrondgebeurtenissen die de signaalsignatuur nabootsen.

Als een van de zwaarste bekende elementaire deeltjes, het W-boson kan op verschillende manieren vervallen. Natuurkundigen van ATLAS richtten hun zoektocht op de vier WWW-vervalmodi met het beste ontdekkingspotentieel, vanwege hun verminderde aantal achtergrondgebeurtenissen. In drie van deze modi twee W-bosonen vervallen in geladen leptonen (elektronen of muonen), dezelfde positieve of negatieve lading dragen, en neutrino's, terwijl het derde W-boson vervalt in een paar lichte quarks (de "2l-kanalen" genoemd). In de vierde vervalmodus, alle drie W-bosonen vervallen in een geladen lepton en neutrino (het "3l-kanaal" genoemd).

Om het WWW-signaal uit het grote aantal achtergrondgebeurtenissen te halen, onderzoekers gebruikten een machine learning-techniek genaamd Boosted Decision Trees (BDT's). BDT's kunnen worden getraind om specifieke signalen in de ATLAS-detector te identificeren, kleine, maar belangrijke, verschillen opsporen tussen bekende variabelen. Voor deze analyse is natuurkundigen hebben twee BDT's getraind:één voor de 2l-kanalen met behulp van 12 goed gemodelleerde variabelen, en de andere voor het 3l-kanaal met 11 variabelen.

De afbeelding toont de BDT-verdeling voor het 3l-kanaal. Het verbeterde scheidingsvermogen tussen signaal en achtergrond geleverd door de BDT - samen met de enorme dataset geleverd door Run 2 van de LHC - verbeterde de precisie van de algehele meting en maakte de eerste waarneming van http://www mogelijk. De waargenomen significantie van de meting is 8,2 standaarddeviaties. De doorsnede werd gemeten als 850 ± 100 (statistisch) ± 80 (systematisch) fb, vergeleken met de door het standaardmodel voorspelde doorsnede van 511 ± 42 fb.

Deze opwindende meting stelt natuurkundigen ook in staat te zoeken naar hints van nieuwe interacties die mogelijk buiten het huidige energiebereik van de LHC bestaan. Vooral, natuurkundigen kunnen het WWW-productieproces gebruiken om de quartic gauge boson-koppeling te bestuderen, een belangrijke parameter van het standaardmodel. Nieuwe deeltjes kunnen de koppeling van kwantumbosonen veranderen door kwantumeffecten, het wijzigen van de doorsnede van de WWW-productie. De voortdurende studie van WWW en andere elektrozwakke processen biedt een verleidelijke weg vooruit.