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    L'expérience ATLAS rapporte l'observation de collisions de photons produisant des porteurs de force faible

    Un affichage événementiel ATLAS 2018 cohérent avec la production d'une paire de bosons W à partir de deux photons, et la désintégration subséquente des bosons W en un muon et un électron (visible dans le détecteur) et des neutrinos (non détectés). Crédit :CERN

    Lors de la Conférence internationale sur la physique des hautes énergies (ICHEP 2020), la collaboration ATLAS a présenté la première observation de collisions de photons produisant des paires de bosons W, particules élémentaires qui portent la force faible, l'une des quatre forces fondamentales. Le résultat démontre une nouvelle façon d'utiliser le LHC, à savoir en tant que collisionneur de photons à haute énergie sondant directement les interactions électrofaibles. Il confirme l'une des principales prédictions de la théorie électrofaible - que les porteurs de force peuvent interagir avec eux-mêmes - et fournit de nouvelles façons de le sonder.

    Selon les lois de l'électrodynamique classique, deux faisceaux lumineux croisés ne dévieraient pas, absorber ou perturber les uns les autres. Cependant, effets de l'électrodynamique quantique (QED), la théorie qui explique comment la lumière et la matière interagissent, permettre les interactions entre les photons.

    En effet, ce n'est pas la première fois que des photons interagissant à haute énergie sont étudiés au LHC. Par exemple, "diffusion" lumière par lumière, où une paire de photons interagit en produisant une autre paire de photons, est l'une des plus anciennes prédictions de QED. La première preuve directe de diffusion lumière par lumière a été signalée par ATLAS en 2017, exploiter les champs électromagnétiques puissants entourant les ions plomb dans les collisions plomb-plomb à haute énergie. En 2019 et 2020, ATLAS a étudié plus avant ce processus en mesurant ses propriétés.

    Le nouveau résultat rapporté lors de cette conférence est sensible à un autre phénomène rare dans lequel deux photons interagissent pour produire deux bosons W de charge électrique opposée via (entre autres) l'interaction de quatre porteurs de force. Les photons quasi-réels des faisceaux de protons se dispersent les uns les autres pour produire une paire de bosons W. Une première étude de ce phénomène avait déjà été rapportée par ATLAS et CMS en 2016, à partir des données enregistrées pendant LHC Run 1, mais un ensemble de données plus important était nécessaire pour l'observer sans ambiguïté.

    L'observation a été obtenue avec une preuve statistique hautement significative de 8,4 écarts-types, correspondant à une chance négligeable d'être dû à une fluctuation statistique. Les physiciens d'ATLAS ont utilisé un ensemble de données considérablement plus volumineux pris lors de l'exécution 2, la collecte de données de quatre ans dans le LHC qui s'est terminée en 2018, et développé une méthode d'analyse personnalisée.

    En raison de la nature du processus d'interaction, les seules traces de particules visibles dans le détecteur central sont les produits de désintégration des deux bosons W, un électron et un muon de charge électrique opposée. Les paires de bosons W peuvent également être produites directement à partir d'interactions entre quarks et gluons dans les protons en collision beaucoup plus souvent qu'à partir d'interactions photon-photon, mais celles-ci s'accompagnent de pistes supplémentaires issues de processus d'interaction forte. Cela signifie que les physiciens d'ATLAS ont dû soigneusement démêler les traces de collision pour observer ce phénomène rare.

    "Cette observation ouvre une nouvelle facette de l'exploration expérimentale au LHC utilisant des photons à l'état initial", dit Karl Jakobs, porte-parole de la collaboration ATLAS. « Il est unique car il implique uniquement des couplages entre des porteurs de force électrofaibles dans l'environnement dominé par les interactions fortes du LHC. Avec de futurs ensembles de données plus importants, il peut être utilisé pour sonder de manière propre la structure de la jauge électrofaible et les contributions possibles de la nouvelle physique. "

    En effet, le nouveau résultat confirme l'une des principales prédictions de la théorie électrofaible, à savoir que, en plus d'interagir avec des particules de matière ordinaires, les porteurs de force, également connu sous le nom de bosons de jauge - les bosons W, le boson Z et le photon interagissent également les uns avec les autres. Les collisions de photons fourniront une nouvelle façon de tester le modèle standard et de sonder une nouvelle physique, ce qui est nécessaire pour une meilleure compréhension de l'univers.


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