Affichage des événements de collision proton-proton enregistrés par l'expérience CMS. Un événement candidat de production simultanée de W+, deux bosons Z, avec plusieurs électrons et muons (c'est-à-dire, 5 électrons dans ce cas). Crédit :Collaboration CMS.
Le modèle standard, la théorie existante la plus exhaustive décrivant les interactions fondamentales des particules, prédit l'existence de ce que l'on appelle les interactions tribosoniques. Ces interactions sont des processus dans lesquels des bosons à trois jauges sont produits simultanément à partir d'un événement de grand collisionneur de hadrons.
Les interactions avec les tribosons sont incroyablement rares, souvent jusqu'à des centaines de fois plus rares que les événements du boson de Higgs, car elles ont généralement lieu une fois tous les 100 milliards de collisions proton-proton. Bien que le modèle standard prédit leur existence, les physiciens n'avaient jusqu'à présent pas pu les observer expérimentalement.
La Collaboration CMS, un grand groupe de chercheurs de nombreux instituts de physique du monde entier a récemment observé pour la première fois la production de trois bosons de jauge massive dans des collisions proton-proton. Leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , offre la première preuve expérimentale de l'existence d'interactions tribosons, ouvrant de nouvelles possibilités pour l'étude des interactions entre les bosons de jauge massif fondamentaux, à savoir le W±, Z, et le boson de Higgs.
« La rareté et la nouveauté des interactions des tribosons ont été le principal moteur de notre décision de nous lancer à la recherche de ces événements, " Saptaparna Bhattacharya, associé de recherche post-doctoral à la Northwestern University et chercheur distingué au LHC Physics Center au Fermilab, dit Phys.org. "Notre réalisation est le point culminant des tentatives précédentes pour rechercher ces processus par les collaborations ATLAS et CMS à des énergies de centre de masse de 8 et 13 TeV."
L'expérience CMS est un effort de recherche en cours basé sur l'utilisation d'un détecteur polyvalent au LHC (c'est-à-dire, le solénoïde compact à muons ou CMS). Au cours des dernières années, Bhattacharya et le reste de la collaboration CMS ont utilisé ce détecteur pour collecter des données relatives aux interactions des particules, ce qui pourrait aider à la recherche de matière noire et faciliter la découverte d'une nouvelle physique.
Dans leur étude récente, les chercheurs ont examiné un vaste ensemble de données compilées à l'aide du détecteur entre 2016 et 2018, car ils ont réalisé que les interactions des tribosons deviennent plus accessibles et ont des taux d'événements suffisamment importants pour être discernés des signaux de fond. Ils ont donc entrepris de rechercher des tribosons ou VVV (c'est-à-dire, où V=W+, W-, bosons Z) et établir l'existence d'interactons tribosons à 5,7 écarts-types, ce qui implique que la probabilité que l'observation soit une fluctuation du bruit de fond est de 1 sur 10 6 , ou un sur 1 million.
« Alors que la majorité des modes de désintégration des tribosons impliquent des jets hadroniques, un sous-ensemble d'événements qui donnent naissance à des électrons et des muons (collectivement appelés leptons) conduisent à des signatures distinctives dans le détecteur, " a expliqué Bhattacharya. " Le détecteur CMS est l'instrument le plus connu pour détecter les leptons et nous avons profité de cette fonctionnalité pour isoler les rares événements VVV des processus de fond. "
La probabilité que de gros bosons soient produits lors de collisions proton-proton est plus grande à une énergie du centre de masse de 13 TeV, par rapport aux énergies de centre de masse inférieures évaluées dans des études antérieures. En utilisant des exigences de sélection de signal optimales, les chercheurs ont ainsi pu isoler le processus de triboson rare des signaux d'arrière-plan dans l'ensemble de données CMS 2016-2018.
"La présence des bosons W± et Z produits dans les collisions proton-proton peut être déduite en détectant leurs produits de désintégration, " Philippe Chang, chercheur post-doctoral à l'Université de Californie à San Diego et membre de la collaboration CMS, dit Phys.org. "L'un des signes les plus clairs de leur présence est la détection d'électrons et de muons de grande impulsion. Étant donné que le processus que nous voulions détecter implique trois bosons de jauge massive, plusieurs électrons et muons doivent être présents pendant l'événement, tandis que dans d'autres événements de fond qui ne produisent pas de multiples bosons de jauge massive, le nombre d'électrons et de muons est faible. Nous avons donc recherché des événements de collision proton-proton avec plusieurs électrons et muons pour observer le processus de signal très rare à partir d'événements de fond."
Dans les données qu'ils ont analysées, Bhattacharya, Chang et le reste de la collaboration CMS ont clairement identifié la production de trois bosons de jauge massive dans une collision proton-proton. Leurs découvertes sont une contribution significative au domaine de la physique des particules, car ils introduisent de nouvelles possibilités pour l'étude des interactions entre les bosons de jauge massif. À l'avenir, cette étude pourrait aider à améliorer la compréhension actuelle des différents types de grands bosons, y compris le boson de Higgs récemment découvert.
"L'observation de la production de trois bosons de gros calibre dans une collision LHC constitue une étape majeure dans la physique du LHC, " expliqua Bhattacharya. " Au départ, nous étions sceptiques quant à la découverte de ces processus à un stade aussi précoce du programme LHC. Cette découverte met en lumière l'interaction fondamentale entre les bosons de jauge et ouvre une nouvelle fenêtre sur les détails complexes du modèle standard."
La collaboration CMS prévoit maintenant de mener d'autres études explorant le processus qu'elle a détecté, ainsi que d'étendre leur analyse pour rechercher également des événements avec W±, et le boson Z se désintègre en quarks et neutrinos. Cela leur permettra de tester davantage la validité du modèle standard et de dévoiler potentiellement de nouveaux phénomènes physiques qui ne peuvent pas être expliqués par les théories physiques existantes.
"Nous étudions actuellement en détail les interactions des tribosons, ayant établi leur existence, " a déclaré Chang. " L'un des principaux objectifs de notre prochain article sera d'examiner les processus de tribosons nouvellement découverts et de rechercher des signes révélateurs de la physique au-delà de ce qui est prédit par le modèle standard. "
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