Dans le modèle standard de la physique des particules, le mécanisme de Brout-Englert-Higgs fournit la masse aux particules élémentaires. Alors que les physiciens mènent des études directes sur le boson de Higgs pour tester ce mécanisme, les sondes d'autres particules qui ont une masse peuvent également fournir des informations. Par exemple, les bosons W et Z, porteurs de la force faible, tirent leur masse du mécanisme de Higgs. Cela a un impact sur leur polarisation, c'est-à-dire sur le degré d'alignement de leur spin quantique dans une direction donnée. Les bosons W et Z ont un spin de 1 et peuvent être polarisés longitudinalement en conséquence directe de leur masse, c'est-à-dire que leur spin peut être orienté perpendiculairement à leur direction de mouvement.

La production simultanée de deux bosons W ou Z (ou production de « dibosons ») permet aux physiciens d'étudier les interactions fondamentales entre bosons. Ces processus rares n'ont pas encore été entièrement testés par rapport aux prédictions du modèle standard, et l'étude de la polarisation des bosons produits est un moyen de dévoiler potentiellement de nouveaux effets physiques. Alors que la polarisation des bosons W et Z séparément a été étudiée depuis l'ère du grand collisionneur électron-positon (LEP), le prédécesseur du grand collisionneur de hadrons (LHC), deux de ces bosons produits simultanément avec une polarisation longitudinale n'ont jamais été observés . Grâce à la richesse des données collectées lors de la phase 2 du LHC et à des méthodes d'analyse innovantes, les chercheurs d'ATLAS sont désormais en mesure d'étudier les états de polarisation conjointe des événements de production de dibosons.

Dans une nouvelle étude présentée à la conférence ICHEP 2022, les physiciens d'ATLAS ont pu observer des événements avec un boson W et un boson Z simultanément polarisés longitudinalement pour la toute première fois. Pour arriver à ce résultat, les chercheurs ont identifié des événements contenant à la fois un boson W et un boson Z. Ils se sont concentrés sur les événements où les bosons se transforment, ou « se désintègrent », en particules appelées leptons, car ceux-ci laissent la signature la plus claire dans le détecteur ATLAS. La polarisation des bosons parents dans de tels événements WZ se manifeste dans des observables angulaires qui ont des distributions très distinctes pour différents états de polarisation.

Cependant, tous les quatre états possibles de polarisation conjointe WZ - longitudinal-longitudinal, longitudinal-transversal, transversal-longitudinal et transversal-transversal - ne sont pas également probables. Les événements les plus intéressants, les deux bosons présentant une polarisation longitudinale, sont bien cachés :ils ne représentent qu'environ 7 % de tous les événements WZ, soit seulement 1 200 des 17 100 événements WZ étudiés par ATLAS.

Pour surmonter les principaux défis expérimentaux, les chercheurs ont développé des algorithmes d'apprentissage automatique dédiés pour extraire les fractions des quatre types d'événements de polarisation conjointe avec une incertitude relative d'environ 20 %, au maximum. Ils ont constaté que les prédictions du modèle standard pour ces fractions se situent toujours dans la région du niveau de confiance de 95,5 % des mesures, ce qui signifie qu'il n'y a pas de tension significative avec la théorie. Les chercheurs ont également découvert que le produit des deux fractions de polarisation longitudinale d'un seul boson est inférieur d'environ 50 % à la fraction de polarisation conjointe longitudinale-longitudinale réelle. Ceci est une mesure directe du rôle joué par les corrélations entre les deux bosons et démontre que les polarisations des deux bosons ne sont pas indépendantes.

Ce résultat est un regard fascinant sur certaines des structures les plus fondamentales du modèle standard lui-même. Et la faisabilité des mesures de polarisation conjointe offre de nouvelles opportunités pour rechercher de nouveaux phénomènes physiques, ciblant des processus plus spécifiques (et plus rares). En s'appuyant sur les nouvelles techniques développées ici, les physiciens peuvent désormais envisager la mesure encore plus difficile de la polarisation conjointe de la diffusion de deux bosons polarisés longitudinalement. + Explorer plus loin

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