La collaborazione ATLAS al CERN annuncia la prima osservazione della "produzione WWW":la creazione simultanea di tre massicci bosoni W in collisioni ad alta energia con il Large Hadron Collider (LHC).

Come una particella portatrice della forza elettrodebole, il bosone W gioca un ruolo cruciale nel Modello Standard della fisica delle particelle. Sebbene scoperto quasi quattro decenni fa, il bosone W continua a fornire ai fisici nuove strade per l'esplorazione. In particolare, il suo studio ha permesso agli scienziati di testare il Modello Standard attraverso misurazioni precise di processi rari.

Oggi, alla Conferenza EPS-HEP 2021, la collaborazione ATLAS ha annunciato la prima osservazione di un processo raro:la produzione simultanea di tre bosoni W. I ricercatori di ATLAS hanno analizzato l'intero set di dati LHC Run-2, registrato dal rilevatore tra il 2015 e il 2018, osservare il processo con una significatività statistica di 8,2 deviazioni standard, ben al di sopra della soglia di deviazione standard 5 necessaria per richiedere l'osservazione. Questo risultato segue una precedente osservazione della CMS Collaboration sulla produzione di tre bosoni deboli inclusi.

Raggiungere questo livello di precisione non è stata un'impresa da poco. I fisici hanno analizzato circa 20 miliardi di eventi di collisione registrati e prefiltrati dall'esperimento ATLAS, cercando solo poche centinaia di eventi attesi dal processo WWW. Questi eventi sono stati sepolti in quasi cinque volte più eventi di fondo che imitano la firma del segnale.

Essendo una delle particelle elementari più pesanti conosciute, il bosone W è in grado di decadere in diversi modi. I fisici di ATLAS hanno concentrato la loro ricerca sui quattro modi di decadimento del WWW con il miglior potenziale di scoperta, a causa del numero ridotto di eventi in background. In tre di queste modalità, due bosoni W decadono in leptoni carichi (elettroni o muoni), portando la stessa carica positiva o negativa, e neutrini, mentre il terzo bosone W decade in una coppia di quark leggeri (chiamati i "canali 2l"). Nella quarta modalità di decadimento, tutti e tre i bosoni W decadono in un leptone carico e neutrino (chiamato "canale 3l").

Per individuare il segnale WWW dal gran numero di eventi in background, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica di apprendimento automatico chiamata Boosted Decision Trees (BDT). I BDT possono essere addestrati per identificare segnali specifici nel rilevatore ATLAS, individuando piccole, ma fondamentali, differenze tra variabili ben note. Per questa analisi, i fisici hanno addestrato due BDT:uno per i canali 2l utilizzando 12 variabili ben modellate, e l'altro per il canale 3l con 11 variabili.

La figura mostra la distribuzione BDT per il canale 3l. La migliore potenza di separazione tra segnale e sfondo fornita dal BDT, insieme all'enorme set di dati fornito da Run 2 dell'LHC, ha migliorato la precisione della misurazione complessiva e ha permesso la prima osservazione di http://www. La significatività osservata della misurazione è di 8,2 deviazioni standard. La sezione trasversale è stata misurata come 850 ± 100 (statistica) ± 80 (sistematica) fb, rispetto alla sezione trasversale prevista del Modello Standard di 511 ± 42 fb.

Questa misurazione entusiasmante consente inoltre ai fisici di cercare indizi di nuove interazioni che potrebbero esistere oltre l'attuale portata energetica dell'LHC. In particolare, i fisici possono utilizzare il processo di produzione del WWW per studiare l'accoppiamento dei bosoni di gauge quartic, un parametro chiave del Modello Standard. Nuove particelle potrebbero alterare l'accoppiamento del bosone di gauge quartico attraverso effetti quantistici, modificando la sezione trasversale della produzione WWW. Lo studio continuo del WWW e di altri processi elettrodeboli fornisce una strada allettante da percorrere.