Figura 1:distribuzioni post-fit della massa combinata del bosone W e del bosone di Higgs candidati in una regione di interesse del segnale per W'. (Qui il 2 b-tag, regione unita.) La regione colorata a tinta unita indica lo sfondo del modello standard, i punti neri con barre di errore indicano i dati sperimentali, e la linea tratteggiata indica eventi ipotetici per un bosone da 2 TeV W'. Il grafico in basso mostra il rapporto tra i dati e lo sfondo totale del modello standard. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
Da quando ha scoperto il bosone di Higgs nel 2012, la collaborazione ATLAS al CERN ha lavorato per comprenderne le proprietà. Una domanda in particolare spicca:perché il bosone di Higgs ha la massa che ha? Gli esperimenti hanno misurato la sua massa intorno a 125 GeV, tuttavia il modello standard implica che ha una massa molto più grande e richiede una correzione molto ampia della matematica per allineare la teoria con l'osservazione, che porta al "problema della naturalezza".
Questa discrepanza potrebbe essere risolta se esistesse un nuovo tipo di interazione, oltre alle quattro forze fondamentali note (gravità, elettromagnetismo, forte e debole). Questa interazione comporterebbe nuove particelle portatrici di forza (bosoni) con masse molto più grandi di qualsiasi cosa attualmente nel Modello Standard. Tra le diverse teorie che descrivono questa interazione ci sono i modelli "heavy vector triplet" (HVT), che suggeriscono che una nuova particella, il bosone "W primo" (W'), potrebbe essere prodotta con le energie di collisione accessibili a LHC. Come il nome suggerisce, queste nuove particelle pesanti interagirebbero con la forza elettrodebole e, dopo essere stato prodotto in una collisione, decadrebbe molto rapidamente in un bosone W e in un bosone di Higgs.
Una nuova ricerca dalla Collaborazione ATLAS, rilasciato questa settimana alla conferenza Large Hadron Collider Physics (LHCP 2021), pone limiti alla massa del bosone W', utilizzando l'intero set di dati LHC Run 2 raccolto tra il 2015 e il 2018. La ricerca mira allo stato finale "semilettonico", dove il bosone di Higgs decade in una coppia di quark b, e il bosone W decade sia in un neutrino che in un elettrone, muone o tau leptone.
Figura 2:I limiti di esclusione combinati del 95% osservati (previsti) sulla sezione d'urto di produzione del bosone W' sono mostrati dalla linea nera (blu). Le linee tratteggiate viola e blu indicano la sezione trasversale teorica rispetto alla massa per una versione della teoria HVT con un valore specifico dell'accoppiamento al bosone W del modello standard. Tutte le masse W' sotto e a sinistra di ciascuna linea tratteggiata sono escluse per quel valore dell'accoppiamento. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
L'ampia gamma di possibili masse per il bosone W', da 400 GeV a 5 TeV, ha presentato ai fisici di ATLAS alcune sfide uniche. Se la massa W' è all'estremità più pesante delle previsioni, produrrebbe bosoni di Higgs con energie più elevate e i risultanti b-quark emetterebbero due "getti" (spruzzi di particelle collimati) così vicini tra loro da apparire come un unico getto con un ampio raggio nel rivelatore ATLAS. masse W' più piccole, d'altra parte, apparirebbe come due getti distinti. Per tenere conto di questa grande variazione di caratteristiche, la nuova analisi ATLAS ha studiato più canali distinti, ciascuno specificamente ottimizzato per fornire la migliore sensibilità alla nuova particella.
Come si vede in Figura 2, molti processi del modello standard molto più comuni possono portare alla stessa firma del decadimento di W', quindi è di fondamentale importanza eliminare il più possibile questo background del Modello Standard. I fisici di ATLAS hanno impiegato un algoritmo multivariato che utilizzava alcune caratteristiche cinematiche dei decadimenti del quark b per cercare di distinguere i loro getti di decadimento da altri, sapori più leggeri di adroni, creando regioni "un b-tag" e "due b-tag". Inoltre, migliorando la precedente ricerca di bosoni W' con un set di dati parziale di Run 2, i ricercatori hanno utilizzato nuove tecniche per identificare e misurare i getti nel rivelatore. I getti "TrackCaloCluster" hanno combinato le informazioni dal sistema di tracciamento interno di ATLAS e dal calorimetro elettromagnetico, mentre i getti "Variable Radius" potrebbero identificare in modo più efficiente i bosoni di Higgs consentendo al raggio dei suoi getti di decadimento di cambiare con diverse quantità di quantità di moto.
I fisici non hanno trovato prove statisticamente significative di una deviazione dal modello standard nella loro ricerca. I risultati sono stati utilizzati per fissare nuovi limiti, mostrato qui, sulla massa di un ipotetico bosone W', escluse le masse fino a 3,15 TeV, che è un aumento di quasi il 12% rispetto alla precedente ricerca ATLAS di un bosone HVT W' con un set di dati Run 2 parziale. La caccia alla nuova fisica continua!
