Affichage d'un événement WWW candidat → 3 leptons + neutrinos. L'événement est identifié par sa désintégration en un muon (ligne rouge), deux électrons (lignes bleues), et énergie transversale manquante (ligne pointillée blanche). Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
La collaboration ATLAS au CERN annonce la première observation de « production WWW » :la création simultanée de trois bosons W massifs dans des collisions à haute énergie avec un grand collisionneur de hadrons (LHC).
En tant que particule porteuse de la force électrofaible, le boson W joue un rôle crucial dans le modèle standard de la physique des particules. Bien que découvert il y a près de quatre décennies, le boson W continue d'offrir aux physiciens de nouvelles voies d'exploration. En particulier, son étude a permis aux scientifiques de tester le modèle standard grâce à des mesures précises de processus rares.
Aujourd'hui, à la conférence EPS-HEP 2021, la collaboration ATLAS a annoncé la première observation d'un processus rare :la production simultanée de trois bosons W. Les chercheurs d'ATLAS ont analysé l'ensemble de données LHC Run-2, enregistrées par le détecteur entre 2015 et 2018, d'observer le processus avec une signification statistique de 8,2 écarts-types, bien au-dessus du seuil de 5 écarts-types nécessaire pour prétendre à l'observation. Ce résultat fait suite à une observation antérieure de la collaboration CMS concernant la production de bosons faibles inclus.
Atteindre ce niveau de précision n'était pas une mince affaire. Les physiciens ont analysé environ 20 milliards d'événements de collision enregistrés et pré-filtrés par l'expérience ATLAS, à la recherche de quelques centaines d'événements attendus du processus WWW. Ces événements ont été enterrés dans près de cinq fois plus d'événements de fond qui imitent la signature du signal.
La distribution de la variable BDT pour les données et la prédiction Monte Carlo de la production WWW dans le canal à 3 leptons. Le signal WWW attendu est affiché en jaune et les points de données sont affichés en noir. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
En tant que l'une des particules élémentaires les plus lourdes connues, le boson W est capable de se désintégrer de plusieurs manières différentes. Les physiciens d'ATLAS ont concentré leurs recherches sur les quatre modes de désintégration WWW avec le meilleur potentiel de découverte, en raison de leur nombre réduit d'événements de fond. Dans trois de ces modes, deux bosons W se désintègrent en leptons chargés (électrons ou muons), portant la même charge positive ou négative, et les neutrinos, tandis que le troisième boson W se désintègre en une paire de quarks légers (appelés les « canaux 2l »). Dans le quatrième mode de désintégration, les trois bosons W se désintègrent en un lepton et un neutrino chargés (appelé le "canal 3l").
Pour sélectionner le signal WWW parmi le grand nombre d'événements d'arrière-plan, les chercheurs ont utilisé une technique d'apprentissage automatique appelée Boosted Decision Trees (BDT). Les BDT peuvent être entraînés à identifier des signaux spécifiques dans le détecteur ATLAS, repérer des différences minimes, mais essentielles, entre des variables bien connues. Pour cette analyse, les physiciens ont formé deux BDT :un pour les canaux 2l utilisant 12 variables bien modélisées, et l'autre pour le canal 3l avec 11 variables.
La figure montre la distribution BDT pour le canal 3l. L'amélioration de la puissance de séparation entre le signal et le bruit de fond fournie par le BDT, ainsi que l'ensemble de données massif fourni par l'exécution 2 du LHC, ont amélioré la précision de la mesure globale et permis la première observation de http://www. La significativité observée de la mesure est de 8,2 écarts-types. La section transversale a été mesurée à 850 ± 100 (statistique) ± 80 (systématique) fb, par rapport à la section transversale prévue du modèle standard de 511 ± 42 fb.
Cette mesure passionnante permet également aux physiciens de rechercher des indices de nouvelles interactions qui pourraient exister au-delà de la portée énergétique actuelle du LHC. En particulier, les physiciens peuvent utiliser le procédé de production WWW pour étudier le couplage des bosons de jauge quartique, un paramètre clé du modèle standard. De nouvelles particules pourraient altérer le couplage des bosons de jauge quartique par des effets quantiques, modifier la section de production WWW. L'étude continue du WWW et d'autres processus électrofaibles offre une voie intéressante à parcourir.
