Χατ τρικ στην ανίχνευση μποζονίων. Triple threat: The first observation of three massive gauge bosons produced in proton-proton collisions

Παρατηρήθηκε για πρώτη φορά η σπάνια ταυτόχρονη παραγωγή τριών μποζονίων (φορέων της ασθενούς αλληλεπίδρασης) σε συγκρούσεις μεταξύ πρωτονίων. The CMS Collaboration, a large group of researchers from numerous physics institutes worldwide have recently observed the production of three massive gauge bosons in proton-proton collisions for the first time ever. Display of proton-proton collision events recorded by the CMS experiment. A candidate event of simultaneous production of W+, two Z bosons, with multiple electrons and muons (i.e., 5 electrons in this case). Credit: CMS Collaboration.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο, η αποτελεσματικότερη θεωρία που περιγράφει τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων, προβλέπει την ύπαρξη αλληλεπιδράσεων που είναι γνωστές ως «τρι-μποζονικές αλληλεπιδράσεις». Πρόκειται για αλληλεπιδράσεις κατά την διάρκεια των οποίων παράγονται ταυτόχρονα τρία μποζόνια βαθμίδας με μάζα (οι φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης – W^±, Z), από ένα γεγονός στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC). Οι ‘τρι-μποζονικές αλληλεπιδράσεις’ είναι απίστευτα σπάνιες σε σχέση με αυτές που παράγουν το μποζόνιο Higgs, αφού συμβαίνουν μια φορά στις 100 δισεκατομμύρια συγκρούσεων μεταξύ πρωτονίων. Παρά λοιπόν το γεγονός ότι η θεωρία προέβλεπε την ύπαρξη αυτών των αλληλεπιδράσεων, οι φυσικοί δεν είχαν καταφέρει να τις ανιχνεύσουν στα πειράματά τους.

Η πειραματική ομάδα CMS, σύμφωνα με την δημοσίευσή της στο Physical Review Letters, ανακοίνωσε ότι παρατηρήθηκε για πρώτη φορά η ταυτόχρονη παραγωγή τριών μποζονίων βαθμίδας με μάζα από συγκρούσεις πρωτονίων.

Figure: An event collected by the CMS experiment in 2016, where two W bosons and one Z boson were produced. One W boson decayed to a muon and its neutrino, the other to an electron and its neutrino. Neutrinos cannot be detected by the CMS experiment so are inferred from the missing transverse momentum p_T^miss. The Z boson decayed to two oppositely charged muons.

Οι ερευνητές του CMS μελετώντας το τεράστιο σύνολο δεδομένων που κατέγραψε ο ανιχνευτής από το 2016 έως το 2018, διαπίστωσαν πως οι τρι-μποζονικές αλληλεπιδράσεις εμφανίζονταν αρκετά συχνά ώστε να διακρίνονται από τα γεγονότα υποβάθρου. Έτσι, ξεκίνησαν να ψάχνουν συστηματικά για τρι-μποζόνια ή VVV (όπου V τα μποζόνια W⁺, W^– και Z) ανιχνεύοντας γεγονότα τρι-μποζονικών αλληλεπιδράσεων με τυπικές αποκλίσεις 5,7σ. Αυτό σημαίνει ότι η πιθανότητα να πρόκειται για άσχετα γεγονότα υποβάθρου είναι 1 στο εκατομμύριο.

Η παρουσία των μποζονίων W^± και Z που παράγονται σε συγκρούσεις μεταξύ πρωτονίων προκύπτει διαμέσου της ανίχνευσης των προϊόντων διάσπασής τους. Ένα από τα πιο ξεκάθαρα σημάδια της παρουσίας τους είναι η ανίχνευση ηλεκτρονίων και μιονίων μεγάλης ορμής. Δεδομένου ότι η διαδικασία που θέλουμε να ανιχνεύσουμε περιλαμβάνει τρία μποζόνια βαθμίδας με μάζα, όταν πραγματοποιείται ένα τέτοιο γεγονός τότε παράγονται πολλαπλά ηλεκτρόνια και μιόνια. Έτσι, αναζητήθηκαν τα γεγονότα από τις συγκρούσεις μεταξύ πρωτονίων στα οποία εμφανίζονταν πολλά ηλεκτρόνια και μιόνια, ώστε να διαχωριστεί αυτή η πολύ σπάνια διαδικασία από τα γεγονότα υποβάθρου.

Αυτή η πειραματική επιτυχία συμβάλλει στη βελτίωση της κατανόησης των διαφορετικών τύπων μποζονίων, συμπεριλαμβανομένου του προσφάτως ανακαλυφθέντος μποζονίου Higgs. Ανοίγει ένα νέο παράθυρο στις περίπλοκες λεπτομέρειες του Καθιερωμένου Προτύπου.

H ελληνική συμμετοχή στην ερευνητική ομάδα του CMS.

Οι φυσικοί του CMS σχεδιάζουν την πραγματοποίηση περαιτέρω ερευνών για την εν λόγω διαδικασία που ανίχνευσαν, καθώς και την επέκταση της ανάλυσής τους προς αναζήτηση γεγονότων όπου τα μποζόνια W^± και Z αποσυντίθενται σε κουάρκ και νετρίνα. Αυτό θα τους επιτρέψει να ελέγξουν τις αντίστοιχες θεωρητικές προβλέψεις του Πρότυπου Μοντέλου και ενδεχομένως να αποκαλύψουν νέα φυσικά φαινόμενα που δεν μπορούν να εξηγηθούν από τις υπάρχουσες θεωρίες φυσικής.

Πηγές: Observation of the production of three massive gauge bosons at √s=13  TeV. Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.151802. - https://cms.cern/news/Triple-Treat%21-CMS-observes-production-of-three-massive-vector-bosons - https://phys.org/news/2020-12-triple-threat-massive-gauge-bosons.html - https://physicsgg.me/2020/12/08