Deux des processus les plus rares sondés jusqu'à présent au Grand collisionneur de hadrons, la diffusion entre les bosons W et Z émis par les quarks dans les collisions proton-proton, ont été établis par l'expérience ATLAS au CERN.

Les bosons W et Z jouent le même rôle médiateur pour l'interaction nucléaire faible que les photons le font pour l'électromagnétisme. Comme les faisceaux lumineux de photons provenant de torches ou de lasers se pénètrent sans effet, Les « sabres laser » électromagnétiques resteront à jamais de la science-fiction. Cependant, les faisceaux de bosons W et Z - ou "rayons lumineux faibles" - peuvent se diffuser les uns des autres.

L'une des principales motivations pour la construction du Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN était d'étudier exactement ce processus, appelé "diffusion des bosons vectoriels" (VBS) faible. Un quark dans chacun des deux protons en collision doit émettre un boson W ou Z. Ces particules à durée de vie extrêmement courte ne peuvent voler qu'à une distance de 0,1x10 ^-15 m avant de se transformer en d'autres particules, et leur interaction avec d'autres particules est limitée à une plage de 0,002x10 ^-15 m. En d'autres termes, ces "sabres laser faibles" extrêmement courts ne s'étendent qu'à environ 1/10ème du rayon d'un proton et doivent se rapprocher de 1/500ème du rayon d'un proton ! Une telle coïncidence extrêmement improbable ne se produit qu'environ une fois sur 20, 000 milliards d'interactions proton-proton, enregistré généralement au cours d'une journée d'exploitation du LHC.

En utilisant les données de 2016, ATLAS a maintenant sans aucun doute observé une production électrofaible WZ et WW, avec la partie dominante de celui-ci étant la diffusion faible du boson vectoriel :W ^± W ^± → W ^± W ^± et W ^± Z → W ^± Z. Ceci poursuit le long voyage de l'expérience pour scruter le processus VBS :en utilisant des données de 8 TeV de 2012, ATLAS avait obtenu la première preuve pour le W ^± W ^± → W ^± W ^± processus avec 18 événements candidats. Un tel rendement se produirait avec une probabilité inférieure à 1:3000 en tant que pure fluctuation statistique. Maintenant, à une énergie de centre de masse plus élevée de 13 TeV, ATLAS a identifié 60 W ^± W ^± → W ^± W ^± événements, ce qui ne se produirait que moins d'une fois sur 200 milliards de cas en tant que fluctuation des processus de fond purs. Cela correspond à une signification statistique de 6,9 ​​écarts-types (σ) au-dessus du bruit de fond. Outre les produits de désintégration des bosons W ou Z dispersés, la signature du processus sont deux jets de particules à haute énergie provenant des deux quarks qui ont initialement rayonné le W ou le Z.

ATLAS a également combiné les données 2015 et 2016 pour établir la diffusion de W ^± Z → W ^± Z avec une signification statistique de 5,6 au-dessus du bruit de fond. Dans cette chaîne, les données de basse énergie de 2012 avaient révélé une signification de seulement 1,9σ, pas suffisant pour revendiquer la moindre preuve du processus. Cette fois, grâce à une technique d'analyse multivariée « BDT » mise en place en 2016, ATLAS a pu isoler 44 événements candidats de signal, dont environ la moitié révèlent des valeurs de "score BDT" supérieures à 0,4, où peu d'arrière-plan est présent.

Pour ce processus de diffusion des bosons vecteurs, trois « sommets » de base du modèle standard y contribuent :l'interaction via le bien connu « couplage triple boson » est considérablement réduite par les contributions des « couplages quartique-bosons » et des « couplages boson-Higgs ». Seul ce dernier garantit que le taux de cette diffusion pour les grandes énergies du centre de masse obéit à la loi de base « d'unité », qu'une probabilité ne peut pas être supérieure à 100 %. Avec la découverte de VBS, un nouveau chapitre des tests du modèle standard a commencé, permettant à ATLAS d'examiner les couplages de boson quartique et les propriétés du boson de Higgs jusqu'à présent inaccessibles expérimentalement.