Données comparées à l'espérance pour la distribution de la masse invariante de deux jets. Le signal (VVV, en jaune) est mis à l'échelle de la valeur mesurée. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
L'expérience ATLAS au CERN vient de publier des preuves de la production simultanée de trois bosons W ou Z lors de collisions proton-proton au Grand collisionneur de hadrons (LHC). Les bosons W et Z sont les particules médiatrices de la force faible - l'une des quatre forces fondamentales connues - qui est responsable du phénomène de radioactivité ainsi qu'un ingrédient essentiel du processus thermonucléaire de notre Soleil.
Une nouvelle fenêtre d'exploration
Le nouveau résultat d'ATLAS est basé sur des données collectées par ATLAS entre 2015 et 2017 à une énergie de collision de 13 TeV. Il fournit des preuves d'événements "tri-bosons" avec une signification de 4 écarts-types. Cette indication n'est que le dernier chapitre d'une histoire de plusieurs décennies de mesures avec des bosons faibles. Les bosons W et Z ont été découverts en 1983 dans le collisionneur proton-antiproton du CERN. En 1996, au grand collisionneur électron-positon (LEP) du CERN, des événements avec deux bosons W ont d'abord été observés, et peu de temps après, des événements ZZ ont été trouvés. Une décennie plus tard, WW, Des événements WZ et ZZ ont été observés au collisionneur Tevatron du Laboratoire Fermi. Des taux élevés d'événements dibosons sont maintenant produits au LHC, permettant des mesures précises.
Les processus de production de tribosons rares sont prédits par le modèle standard de la physique des particules. Leur production implique une auto-interaction entre les bosons faibles, les couplages de bosons dits de jauge triple et quartique, qui sont sensibles aux contributions possibles de particules ou de forces encore inconnues.
Combinaison de deux mesures (normalisées à leurs prédictions du modèle standard) dans les canaux WWW et deux dans les canaux WVZ, dans les états finaux avec un nombre différent de leptons. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Puisque les bosons faibles sont instables, ils sont reconstruits dans le détecteur via leurs désintégrations en paires de leptons (y compris les neutrinos invisibles) ou en quarks – ces derniers formant des gerbes de particules, appelés "jets". Les physiciens d'ATLAS ont combiné des recherches pour différents modes de désintégration et différents types de production de tri-bosons, y compris les événements avec trois bosons W ("WWW"), et événements avec un boson W, un boson Z et un troisième boson de l'une ou l'autre variété. Ces derniers sont connus sous le nom d'événements "WVZ", où le « V » est un raccourci pour « W ou Z ».
Une technique utilisée par les physiciens d'ATLAS pour rechercher des événements "WWW" a utilisé la masse invariante calculée de deux jets et l'a comparée à la masse du boson W (Figure 1). Cela leur a permis de déterminer si les jets étaient le résultat d'une désintégration du boson W. De telles techniques sont utilisées par les physiciens depuis des décennies (y compris lors de la découverte en 2012 du boson de Higgs).
L'analyse WVZ, d'autre part, utilise des techniques d'apprentissage automatique pour identifier les événements tri-bosons. Plusieurs algorithmes multivariés sous la forme d'arbres de décision boostés (BDT) ont été formés pour apprendre quels événements dans les données sont issus de la production de tri-bosons et qui découlent d'autres processus du modèle standard. En considérant diverses caractéristiques de l'événement - telles que les moments des leptons, le déséquilibre global de la quantité de mouvement et le nombre de jets – les BDT sont capables de déduire (plus efficacement que les humains) l'origine des données. Finalement, les BDT ont identifié certaines des données comme provenant probablement de la production de WVZ.
Tout à fait, la mesure ATLAS résultante (Figure 2) est en accord avec la prédiction du modèle standard, fournissant ainsi une pièce supplémentaire du puzzle dans notre compréhension de la physique des particules.
