L'esperimento ATLAS al CERN ha appena rilasciato prove per la produzione simultanea di tre bosoni W o Z nelle collisioni protone-protone al Large Hadron Collider (LHC). I bosoni W e Z sono le particelle mediatrici della forza debole - una delle quattro forze fondamentali conosciute - che è responsabile del fenomeno della radioattività nonché ingrediente essenziale del processo termonucleare del nostro Sole.

Una nuova finestra per l'esplorazione

Il nuovo risultato ATLAS si basa sui dati raccolti da ATLAS nel periodo 2015-2017 a un'energia di collisione di 13 TeV. Fornisce evidenza di eventi "tri-bosoni" con un significato di 4 deviazioni standard. Questa indicazione non è che l'ultimo capitolo di una storia decennale di misurazioni con bosoni deboli. I bosoni W e Z sono stati scoperti nel 1983 al collisore protone-antiprotone del CERN. Nel 1996, al collisore Large Electron-Positron (LEP) del CERN, sono stati osservati per primi eventi con due bosoni W, e poco dopo sono stati trovati eventi ZZ. Un decennio dopo, WW, Gli eventi WZ e ZZ sono stati osservati sul collisore Tevatron del Fermilab. Grandi tassi di eventi dibosonico sono ora prodotti all'LHC, consentendo misurazioni precise.

I rari processi di produzione di tri-bosoni sono previsti dal Modello standard della fisica delle particelle. La loro produzione comporta l'autointerazione tra i bosoni deboli, i cosiddetti accoppiamenti bosonici di gauge tripli e quartici, sensibili a possibili contributi di particelle o forze ancora sconosciute.

Poiché i bosoni deboli sono instabili, vengono ricostruiti nel rivelatore tramite i loro decadimenti in coppie di leptoni (compresi i neutrini invisibili) o quark, questi ultimi che formano spruzzi di particelle, chiamati "getti". I fisici di ATLAS hanno combinato le ricerche per diversi modi di decadimento e diversi tipi di produzione di tri-bosoni, inclusi eventi con tre bosoni W ("WWW"), ed eventi con un bosone W, un bosone Z e un terzo bosone di entrambe le varietà. Questi ultimi sono noti come eventi "WVZ", dove la "V" è una scorciatoia per "W o Z".

Una tecnica impiegata dai fisici di ATLAS per cercare gli eventi "WWW" utilizzava la massa invariante calcolata di due getti e la confrontava con la massa del bosone W (Figura 1). Ciò ha permesso loro di determinare se i getti fossero il risultato di un decadimento del bosone W. Tali tecniche sono state utilizzate dai fisici per decenni (inclusa la scoperta del bosone di Higgs nel 2012).

L'analisi WVZ, d'altra parte, utilizza tecniche di apprendimento automatico per identificare eventi tri-bosoni. Diversi algoritmi multivariati sotto forma di alberi decisionali potenziati (BDT) sono stati addestrati per apprendere quali eventi nei dati provengono dalla produzione di tri-bosoni e quali derivano da altri processi del modello standard. Considerando varie caratteristiche dell'evento - come i momenta dei leptoni, lo squilibrio complessivo del momento e il numero di getti:i BDT sono in grado di dedurre (in modo più efficiente degli umani) l'origine dei dati. In definitiva, i BDT hanno identificato alcuni dei dati come probabilmente provenienti dalla produzione WVZ.

Del tutto, la misura ATLAS risultante (Figura 2) risulta essere in accordo con la previsione del Modello Standard, fornendo così un ulteriore pezzo del puzzle nella nostra comprensione della fisica delle particelle.