Visualizzazione degli eventi di collisione protone-protone registrati dall'esperimento CMS. Un evento candidato alla produzione simultanea di W+, due bosoni Z, con più elettroni e muoni (cioè, 5 elettroni in questo caso). Credito:Collaborazione CMS.
Il modello standard, la teoria esistente più esauriente che delinea le interazioni fondamentali delle particelle, predice l'esistenza di quelle che sono note come interazioni tribosoniche. Queste interazioni sono processi in cui i bosoni di tre gauge vengono prodotti simultaneamente da un evento Large Hadron Collider.
Le interazioni con i tribosoni sono incredibilmente rare, spesso fino a centinaia di volte più rari degli eventi del bosone di Higgs, poiché in genere si verificano una volta ogni 100 miliardi di collisioni protone-protone. Sebbene il Modello Standard preveda la loro esistenza, i fisici non erano stati finora in grado di osservarli sperimentalmente.
La collaborazione CMS, un folto gruppo di ricercatori di numerosi istituti di fisica in tutto il mondo ha recentemente osservato per la prima volta in assoluto la produzione di tre bosoni di gauge massicci nelle collisioni protone-protone. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , offre la prima prova sperimentale dell'esistenza di interazioni tribosoniche, aprendo nuove possibilità per lo studio delle interazioni tra bosoni fondamentali di gauge massicci, vale a dire il W±, Z, e bosone di Higgs.
"La rarità e la novità delle interazioni dei tribosoni è stata la principale forza guida alla base della nostra decisione di intraprendere la ricerca di questi eventi, " Saptaparna Bhattacharya, associato di ricerca post-dottorato presso la Northwestern University e ricercatore distinto presso il Centro di fisica LHC del Fermilab, ha detto a Phys.org. "Il nostro risultato è il culmine dei precedenti tentativi di cercare questi processi da entrambe le collaborazioni ATLAS e CMS al centro di energie di massa di 8 e 13 TeV".
L'esperimento CMS è uno sforzo di ricerca in corso basato sull'uso di un rivelatore di uso generale presso l'LHC (cioè, il Compact Muon Solenoide o CMS). Negli ultimi anni, Bhattacharya e il resto della collaborazione CMS hanno utilizzato questo rilevatore per raccogliere dati relativi alle interazioni delle particelle, che potrebbe aiutare la ricerca della materia oscura e facilitare la scoperta di nuova fisica.
Nel loro recente studio, i ricercatori hanno esaminato un ampio set di dati compilato utilizzando il rilevatore tra il 2016 e il 2018, quando si sono resi conto che le interazioni dei tribosoni stanno diventando più accessibili e hanno frequenze di eventi abbastanza grandi da essere individuate dai segnali di fondo. Si misero quindi alla ricerca di tribosoni o VVV (cioè, dove V=W+, W-, Z bosoni) e stabiliscono l'esistenza di interazioni tribosoniche a 5,7 deviazioni standard, il che implica che la probabilità che l'osservazione sia una fluttuazione dello sfondo è uno su 10 6 , o uno su 1 milione.
"Mentre la maggior parte dei modi di decadimento dei tribosoni coinvolge getti adronici, un sottoinsieme di eventi che danno origine a elettroni e muoni (collettivamente noti come leptoni) portano a firme distintive nel rivelatore, " ha spiegato Bhattacharya. "Il rilevatore CMS è lo strumento più noto per rilevare i leptoni e abbiamo sfruttato questa funzione per isolare i rari eventi VVV dai processi in background".
La probabilità che grandi bosoni vengano prodotti nelle collisioni protone-protone è maggiore a un centro di massa di energia di 13 TeV, rispetto alle energie del centro di massa inferiori valutate in studi precedenti. Utilizzando requisiti di selezione del segnale ottimali, i ricercatori sono stati così in grado di isolare il raro processo triboson dai segnali di fondo nel set di dati CMS 2016-2018.
"La presenza dei bosoni W± e Z prodotti nelle collisioni protone-protone può essere dedotta rilevando i loro prodotti di decadimento, "Filippo Chang, ricercatore post-dottorato presso la University of California San Diego e parte della CMS Collaboration, ha detto a Phys.org. "Uno dei segni più evidenti della loro presenza è il rilevamento di elettroni e muoni ad alto momento. Poiché il processo che volevamo rilevare coinvolge tre bosoni di gauge massicci, più elettroni e muoni dovrebbero essere presenti mentre l'evento ha luogo, mentre in altri eventi di fondo che non producono più bosoni di grosso calibro, il numero di elettroni e muoni è basso. Abbiamo quindi cercato eventi di collisione protone-protone con più elettroni e muoni per osservare il processo del segnale molto raro da eventi di fondo".
Nei dati analizzati, Bhattacharya, Chang e il resto della collaborazione CMS hanno identificato chiaramente la produzione di tre bosoni di gauge massicci in una collisione protone-protone. Le loro scoperte sono un contributo significativo al campo della fisica delle particelle, poiché introducono nuove possibilità per studiare le interazioni tra bosoni di gauge massicci. Nel futuro, questo studio potrebbe aiutare a migliorare l'attuale comprensione dei diversi tipi di grandi bosoni, compreso il bosone di Higgs scoperto di recente.
"L'osservazione della produzione di tre bosoni di grosso calibro in una collisione di LHC costituisce una pietra miliare nella fisica di LHC, " Bhattacharya ha spiegato. "All'inizio, eravamo scettici sulla scoperta di questi processi in una fase così iniziale del programma LHC. Questa scoperta fa luce sull'interazione fondamentale tra i bosoni di gauge e apre una nuova finestra sugli intricati dettagli del Modello Standard".
La collaborazione CMS ora prevede di condurre ulteriori studi esplorando il processo che hanno rilevato, oltre ad ampliare la propria analisi per cercare anche eventi con W±, e il bosone Z decade in quark e neutrini. Ciò consentirà loro di testare ulteriormente la validità del Modello Standard e potenzialmente svelare nuovi fenomeni fisici che non possono essere spiegati dalle teorie fisiche esistenti.
"Stiamo attualmente studiando in dettaglio le interazioni dei tribosoni, avendo stabilito la loro esistenza, "Ha detto Chang. "Uno degli obiettivi principali del nostro prossimo articolo sarà quello di esaminare i processi tribosoni appena scoperti e cercare segni rivelatori di fisica oltre a quanto previsto dal modello standard".
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