Dans le modèle standard de la physique des particules, les particules élémentaires acquièrent leurs masses en interagissant avec le champ de Higgs. Ce processus est régi par un mécanisme délicat :la brisure de symétrie électrofaible (EWSB). Bien que l'EWSB ait été proposé pour la première fois en 1964, il reste parmi les phénomènes les moins compris du modèle standard car un grand ensemble de données de collisions de particules à haute énergie est nécessaire pour le sonder.

Après la découverte du boson de Higgs en 2012, l'étude de l'EWSB à la frontière des hautes énergies a commencé sérieusement au Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN. En plus de mesurer avec précision les propriétés du boson de Higgs, en particulier, son auto-couplage, une voie clé pour sonder l'EWSB, est l'étude du comportement à haute énergie des bosons W et Z lorsqu'ils se dispersent. Ce processus, qui est régi par des interactions électrofaibles, est connue sous le nom de diffusion massive de bosons vectoriels.

La diffusion des bosons vecteurs est l'un des nombreux processus électrofaibles qui contribuent à la production d'une paire de bosons W ou Z en association avec deux "jets" de particules hadroniques (chacun provenant d'un quark), qui sont produits préférentiellement dans le sens opposé les uns aux autres le long des faisceaux de protons. Sans le boson de Higgs, le taux de ce processus augmenterait indéfiniment avec l'énergie de collision. Le mécanisme EWSB devrait justement annuler cette croissance incontrôlée, selon le modèle standard. Cependant, de nouveaux processus physiques potentiels pourraient influencer la vitesse de ce processus à haute énergie, faisant de sa mesure précise un objectif important pour les expériences LHC.

Les physiciens d'ATLAS recherchent dans les collisions du LHC la production électrofaible de deux jets en association avec une paire de bosons vecteurs massifs, soit W ^± W ^± , W ^± Z ou ZZ. Ces analyses sont très difficiles en raison de la rareté du signal en présence d'un grand fond irréductible d'interaction forte. Pour améliorer la sensibilité de détection du signal, Les physiciens d'ATLAS ont recherché des événements où les bosons vecteurs s'étaient désintégrés en leptons, et ils ont appliqué des techniques multivariées pour exploiter les différences subtiles entre le signal et les événements de fond.

ATLAS a observé avec succès la production électrofaible de deux jets en association avec W ^± W ^± et W ^± Z en 2018, en utilisant 36 fb ^-1 de 13 TeV de données de collision proton-proton. Ces résultats ont été obtenus grâce à la grande quantité de données fournies par le LHC, une méthodologie de recherche soigneusement optimisée, et l'excellent calibrage du détecteur ATLAS pour garantir une mesure précise des leptons et des jets. Aucun écart significatif par rapport aux prévisions du modèle standard n'a été observé dans ces mesures.

Les physiciens ont alors entrepris d'observer la production électrofaible de deux jets en association avec ZZ, le plus rare des trois processus. La collaboration CMS a recherché ce processus en utilisant 36 fb ^-1 de données, mais n'a pas encore trouvé de preuves claires.

Lors de la conférence de la Société européenne de physique sur la physique des hautes énergies (EPS-HEP) à Gand, La Belgique, ATLAS a présenté une nouvelle recherche pour ce processus en utilisant l'ensemble de données complet Run 2 (139 fb ^-1 ). Le résultat combine deux canaux différents provenant des désintégrations de la paire de bosons Z :quatre leptons chargés et deux leptons chargés plus deux neutrinos, respectivement. Des discriminants multivariés sous forme d'arbres de décision renforcés (BDT) sont entraînés pour améliorer la séparation entre le signal et le bruit de fond. Les distributions de BDT observées dans les deux canaux sont examinées avec une méthode statistique pour déterminer l'abondance du signal.

Le nouveau résultat d'ATLAS fournit l'observation de la production électrofaible de deux jets en association avec ZZ, avec une signification statistique de 5,5 écarts-types. Il est compatible avec l'attente du modèle standard de 4,3 écarts-types.

L'observation de ce processus marque une autre étape importante dans l'étude de l'EWSB. Un examen plus approfondi de l'EWSB se poursuivra dans d'autres canaux ainsi qu'avec les futurs ensembles de données au LHC.