Wボソンは大型ハドロン衝突型加速器での光子の衝突で生まれました

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Wボソンは大型ハドロン衝突型加速器での光子の衝突で生まれました
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Anonim
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ATLAS実験では、2つの光子が衝突し、Wボソンの弱い相互作用のキャリアのペアが生成されるというまれなプロセスが高精度で記録されました。 2015年から2018年に蓄積されたデータを分析した後に得られたこの結果により、電弱相互作用を直接調査するための高エネルギー光子のソースとしてLHCを使用することができます。発見されたプロセスは、電弱理論の予測を実験的に確認し、この現象を研究するための新しい方法を研究者に提供します。 ATLASの物理学者は、前回のオンライン会議ICHEPで結果を発表しました。このレポートは、実験のWebサイトで入手できます。

学校では、2本の光線が相互作用できないことを教えています。これは古典電磁気学にも当てはまりますが、標準模型はこのスコアに関して非常に異なる予測を行います。この理論の枠組みの中で、素粒子の物理学ではすでに古典的であり、光子(光の量子と電磁相互作用のキャリア)は互いに散乱し、直接衝突で新しい粒子を生成することさえあります。大型ハドロン衝突型加速器の物理学者は、同様の現象を繰り返し観察しています。たとえば、2017年、ATLASは、2つの光子が他の2つの光子を生成する相互作用のプロセスを確認しました。これは、量子電気力学の枠組みで長い間予測されてきた効果です。

しかし、今回、科学者たちは、2つの光子が衝突して2つのWボソンが生成されるという非常に複雑なプロセスを発見しました。 Wボソン自体は弱い相互作用のキャリアです-電磁的、強い、重力的な相互作用とともに、4つの既存の相互作用の1つです。標準模型の一部である電弱相互作用の理論によれば、光子とWボソンは周囲の物質だけでなく互いに相互作用することができます。以前、ATLASは大型ハドロン衝突型加速器の最初のシーズンのデータでこのプロセスの検出についてすでに報告していましたが、その後、実験者は発見を確認するのに十分な統計精度を達成できませんでした。

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2つの光子の衝突と2つのWボソンの生成を説明する図。左側では、光子は弾性過程で生まれ、中央では、光子の1つは陽子の崩壊または衝突で生まれ、右側では、両方の光子は非弾性過程で生まれます。

現在、重心系での13テラエレクトロンボルトのエネルギーによる陽子-陽子衝突について2015年から2018年に蓄積されたデータにより、科学者は発見の確認を合法的に宣言することができました。以前のように、物理学者は、Wボソン自体が約3×10〜25秒しか生きないため、2つの光子の衝突と後者の崩壊生成物による2つのWボソンの生成を追跡しました。研究者たちは、そのような崩壊で生まれた反対の兆候を持つ電子とミューオンを探していました。また、この過程でニュートリノが生まれますが、実験者はそれらを登録することができません。つまり、これらの最も軽い粒子の存在は、残りの崩壊生成物の運動量から回復する必要がありました。イベントの選択は、クォークとグルーオンの相互作用でWボソンが生成される可能性が何倍も高いという事実によって複雑になりました。物理学者は、イベントに参加しているすべての粒子の軌跡をたどり、電子とミューオンによる崩壊のみを選択して、これらのプロセスをふるいにかけました。

その結果、物理学者は、公式の発見に必要な5σをはるかに超える8、4σの統計精度を達成することができました。科学者たちはまた、観測された光子とWボソンの生成との衝突の断面積を計算することに成功しました。これは3.33±0.59フェムトバーンでした。将来的には、研究者はこの値をそのようなプロセスのモデリングと研究に使用できるようになります。

ATLASの研究の重要な結果は、実験者が大型ハドロン衝突型加速器を高エネルギー光子の衝突源として使用する可能性を確認したことです。強い相互作用が衝突型加速器によって加速された物質の衝突を支配するので、これは本当に驚くべきことです。電弱相互作用を研究する新しい方法のLHCでの発見は、標準模型をテストするための新しい研究と、蓄積されたデータの量の増加とともにますます現実になる新しい物理学の探索への道を開くかもしれません。この点で、科学者は大型ハドロン衝突型加速器の継続的なアップグレードによって支援されるべきであり、その目的は設備の明るさを高めることです。

CERNのさらに長期的な計画については、私たちの資料「100 TeV forthefuture」で読むことができます。現在のICHEP-2020会議で発表された加速器物理学の他の進歩について、ヒッグス粒子のまれな崩壊の発見とK中間子の崩壊への新しい物理学の制限についてのニュースで書いた。

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