大型ハドロン衝突型加速器でのATLAS実験の参加者は、陽子-陽子衝突における3つのWボソンの同時生成の実験的発見を報告しました。結果の統計的精度は8、2σに達したため、発見に必要な5σを超えました。以前は、このプロセスはATLASとCMS実験の両方ですでに観察されていましたが、その時点で得られた結果の統計的精度は3.3σを超えていませんでした。そのようなまれなプロセスを研究することで、科学者は標準モデルの既存の予測の強さをテストすることができます。 ATLASの参加者は、現在のEPS-HEP 2021会議でのオープニングについて話し、詳細なレポートが実験のWebサイトに公開されました。
Wボソンは標準模型の中で最も重い素粒子の1つです。このゲージボソンとSU（2）グループのその「パートナー」であるZボソンは、弱い相互作用のキャリアです。異なる粒子が弱いプロセス中にそれらを交換します。 Wボソン自体は約40年前に発見され、その存在を予測する理論的構造は1967年に作成されました。それにもかかわらず、このボソンの詳細な研究は今日まで続いています。この素粒子は、研究者が新しい物理学の痕跡を見つけることを望んでいる非常にまれなプロセスに参加することができます。
Wボソンが関与するこのようなまれなプロセスの1つは、3つのそのような粒子を同時に生成することです。量子クロモダイナミクスは、フェルミオンによる各ボソンの放出、2つのベクトルボソンへの崩壊を伴う中間ボソン（たとえば、Zボソンまたはヒッグスボソン）の誕生によって、3つのベクトルボソンが同時に生成される可能性があると予測しています。 、および中間ベクトルボソンからの3つのベクトルボソンの同時生成によっても。 3つのボソンを同時に生成するこのようなプロセスは、3つおよび4つのゲージボソンの相互作用の強さを一度に推定するために使用できるため、物理学者にとって特に興味深いものです。既存の予測によると、このパラメータは、まだ発見されていない粒子や、標準モデル外の物理学の他の兆候に特に敏感です。これらは、物理学者が利用できるエネルギーでは気付かれません。
3つのWボソンの同時生成プロセスのファインマン図。
しかし、さらなる研究のために、科学者はそのようなまれなプロセスを十分な統計的精度で登録する方法を学ぶ必要があります。これは、大型ハドロン衝突型加速器でのATLAS実験の参加者が何とかしたことです。物理学者は、プロトンに関するデータセットで8、2σの統計精度で3つのWボソンを同時に生成することでイベントの存在を確認できました。 -プロトン衝突。このような高い精度（発見には5σで十分）により、この結果は偶然ではなく、LHCで定期的に（非常にまれですが）発生していると自信を持って言えます。以前、科学者は3つのWボソンの同時生成の痕跡をすでに発見しましたが、その後、研究者は発見のための十分な統計的精度を持っていませんでした。ATLASでは3.2σであり、CMS実験では3、3σとカウントされました。現在、より多くのデータと目的のイベントの改善された検索アルゴリズムにより、過去の観測を確認および強化することが可能です。
物理学者は、作業の過程で、LHCの最初の2回のセッション中に蓄積された約200億回の衝突に関するデータを処理しました。生成されたWボソンはそれらの崩壊生成物によって登録されました。最初の概算では、3つのWボソンは2つの主要なチャネルを介して崩壊する可能性があります：1つの電荷の2つのレプトン、2つのニュートリノと2つのクォーク、または1つの電荷と3つのニュートリノの3つのレプトン（どちらの場合も、各レプトンは電子またはミューオンのいずれか）。最初のケースでは、崩壊の結果は、2つのジェットだけでなく、横方向の運動量（ニュートリノによる）の損失を伴う同じ電荷の2つのレプトンの登録になります。反対に、2番目のケースでは、ジェットなしで3つのレプトンのみが観測されますが、それでも横方向の運動量は失われます。
一般的なデータセットでこのようなイベントを検索するために、科学者は機械学習アルゴリズムも使用しました。これは、崩壊生成物のエネルギーと移動方向に関する特徴的な制限に従って、検索されたイベントを背景から分離しました。アルゴリズムのキャリブレーションとして、WボソンとZボソンのペアがゼロ、1、または2つのジェットを持つレプトンに崩壊するイベントを使用しました。すべての崩壊チャネルでのバックグラウンドイベントの結果として、3つのWボソンの同時生成が求められていたイベントよりも何倍も多かった。それにもかかわらず、科学者はほぼ300の望ましいイベントを選択し、調査中のプロセスの全断面積を測定することができました。それは850±180フェムトバーンであることが判明しました。
3つのWボソンの2つのレプトン（左の3つのビン）と3つのレプトン（中央のビン）への崩壊生成物、およびWボソンとZボソンのペアの崩壊の制御イベント（右の3つのビン）。目的のイベントは黄色でマークされています。
Wボソンは、その参加を伴うまれなプロセスだけでなく興味深いものです。最近、科学者はその崩壊を使用して、標準モデルのレプトンの普遍性をテストしました。 Wボソン自体の特性も研究と改良が続けられています。ATLAS実験でも行われたこのボソンの質量の特に正確な測定について書きました。
