In het standaardmodel van deeltjesfysica levert het Brout-Englert-Higgs-mechanisme massa aan elementaire deeltjes. Terwijl natuurkundigen directe studies van het Higgs-deeltje uitvoeren om dit mechanisme te testen, kunnen sondes van andere deeltjes die massa hebben ook inzicht verschaffen. De W- en Z-bosonen - de dragers van de zwakke kracht - halen bijvoorbeeld hun massa uit het Higgs-mechanisme. Dit heeft invloed op hun polarisatie, dat wil zeggen, de mate waarin hun kwantumspin in een bepaalde richting is uitgelijnd. De W- en Z-bosonen hebben een spin van 1 en kunnen longitudinaal worden gepolariseerd als een direct gevolg van hun massale massa - met andere woorden, hun spin kan loodrecht op hun bewegingsrichting worden georiënteerd.

De gelijktijdige productie van twee W- of Z-bosonen (of "diboson" -productie) stelt natuurkundigen in staat fundamentele interacties tussen bosonen te bestuderen. Deze zeldzame processen moeten nog volledig worden getest tegen voorspellingen van het standaardmodel, en het bestuderen van de polarisatie van de geproduceerde bosonen is een manier om mogelijk nieuwe natuurkundige effecten te onthullen. Hoewel de polarisatie van W- en Z-bosonen afzonderlijk is bestudeerd sinds het tijdperk van de Large Electron-Positron (LEP) -botser, de voorloper van de Large Hadron Collider (LHC), zijn er nooit twee van dergelijke bosonen waargenomen die gelijktijdig met een longitudinale polarisatie zijn geproduceerd . Met de schat aan gegevens die zijn verzameld tijdens Run 2 van de LHC en innovatieve analysemethoden, zijn ATLAS-onderzoekers nu in staat om de gezamenlijke polarisatietoestanden van dibosonproductiegebeurtenissen te bestuderen.

In een nieuwe studie gepresenteerd op de ICHEP 2022-conferentie, hebben ATLAS-natuurkundigen voor het eerst gebeurtenissen kunnen observeren met zowel een W- als een Z-boson gelijktijdig longitudinaal gepolariseerd. Om dit resultaat te bereiken, identificeerden de onderzoekers gebeurtenissen die zowel een W-boson als een Z-boson bevatten. Ze concentreerden zich op gebeurtenissen waarbij de bosonen transformeren of "vervallen" in deeltjes die leptonen worden genoemd, omdat deze de duidelijkste handtekening achterlaten in de ATLAS-detector. De polarisatie van de ouderbosonen in dergelijke WZ-gebeurtenissen manifesteert zich in hoekwaarnemingen die zeer verschillende distributies hebben voor verschillende polarisatietoestanden.

Niet alle vier mogelijke WZ-gewrichtspolarisatietoestanden - longitudinaal-longitudinaal, longitudinaal-transversaal, transversaal-longitudinaal en transversaal-transversaal - zijn echter even waarschijnlijk. De interessantste gebeurtenissen, waarbij beide bosonen een longitudinale polarisatie vertonen, zijn goed verborgen - ze vertegenwoordigen slechts ongeveer 7% van alle WZ-gebeurtenissen, wat neerkomt op slechts 1.200 van de 17.100 WZ-gebeurtenissen die door ATLAS zijn bestudeerd.

Om de belangrijkste experimentele uitdagingen te overwinnen, ontwikkelden onderzoekers speciale algoritmen voor machinaal leren om de fracties van de vier soorten gezamenlijke polarisatiegebeurtenissen te extraheren met een relatieve onzekerheid van maximaal ongeveer 20%. Ze ontdekten dat de voorspellingen van het standaardmodel voor deze fracties altijd binnen het 95,5%-betrouwbaarheidsniveau van de metingen liggen, wat betekent dat er geen significante spanning is met de theorie. Onderzoekers ontdekten ook dat het product van de twee longitudinale polarisatiefracties met enkelvoudig boson ongeveer 50% lager is dan de werkelijke longitudinale-longitudinale gewrichtspolarisatiefractie. Dit is een directe maatstaf voor de rol die wordt gespeeld door correlaties tussen de twee bosonen en toont aan dat de twee polarisaties met enkel bosonen niet onafhankelijk zijn.

Dit resultaat is een fascinerende kijk op enkele van de meest fundamentele structuren van het standaardmodel zelf. En de haalbaarheid van gewrichtspolarisatiemetingen biedt nieuwe mogelijkheden om te zoeken naar nieuwe natuurkundige fenomenen, gericht op meer specifieke (en zeldzamere) processen. Voortbouwend op de nieuwe technieken die hier zijn ontwikkeld, kunnen natuurkundigen zich nu de nog uitdagendere gewrichtspolarisatiemeting van de verstrooiing van twee longitudinaal gepolariseerde bosonen voorstellen. + Verder verkennen

De afbeelding van het Higgs-deeltje verfijnen