Evento candidato ATLAS per un bosone W e Z prodotto contemporaneamente con una polarizzazione longitudinale. Credito:ATLAS/CERN
Nel modello standard della fisica delle particelle, il meccanismo di Brout-Englert-Higgs fornisce massa alle particelle elementari. Mentre i fisici stanno conducendo studi diretti sul bosone di Higgs per testare questo meccanismo, anche le sonde di altre particelle che hanno massa possono fornire informazioni. Ad esempio, i bosoni W e Z, i portatori della forza debole, ottengono la loro massa dal meccanismo di Higgs. Ciò influisce sulla loro polarizzazione, ovvero il grado in cui il loro spin quantistico è allineato a una determinata direzione. I bosoni W e Z hanno uno spin di 1 e possono essere polarizzati longitudinalmente come diretta conseguenza del loro essere massicci, in altre parole, il loro spin può essere orientato perpendicolarmente alla loro direzione di movimento.
La produzione simultanea di due bosoni W o Z (o produzione di "dibosoni") consente ai fisici di studiare le interazioni fondamentali tra i bosoni. Questi rari processi devono ancora essere completamente testati rispetto alle previsioni del Modello Standard e lo studio della polarizzazione dei bosoni prodotti è un modo per svelare potenzialmente nuovi effetti fisici. Sebbene la polarizzazione dei bosoni W e Z separatamente sia stata studiata dall'era del collisore Large Electron-Positron (LEP), il predecessore del Large Hadron Collider (LHC), due di questi bosoni prodotti simultaneamente con una polarizzazione longitudinale non sono mai stati osservati . Con la ricchezza di dati raccolti durante la run 2 di LHC e metodi di analisi innovativi, i ricercatori ATLAS sono ora in grado di studiare gli stati di polarizzazione articolare degli eventi di produzione di dibosone.
In un nuovo studio presentato alla conferenza ICHEP 2022, i fisici ATLAS sono stati in grado di osservare per la prima volta eventi con un bosone W e Z contemporaneamente polarizzato longitudinalmente. Per ottenere questo risultato, i ricercatori hanno identificato eventi contenenti sia un bosone W che un bosone Z. Si sono concentrati sugli eventi in cui i bosoni si trasformano, o "decadono", in particelle chiamate leptoni, poiché queste lasciano la firma più chiara nel rivelatore ATLAS. La polarizzazione dei bosoni genitori in tali eventi WZ si manifesta in osservabili angolari che hanno distribuzioni molto distinte per diversi stati di polarizzazione.
Tuttavia, non tutti i quattro possibili stati di polarizzazione dell'articolazione WZ - longitudinale-longitudinale, longitudinale-trasversale, trasversale-longitudinale e trasversale-trasversale - sono ugualmente probabili. Gli eventi più interessanti, con entrambi i bosoni che mostrano una polarizzazione longitudinale, sono ben nascosti:rappresentano solo il 7% circa di tutti gli eventi WZ, pari a solo 1.200 dei 17.100 eventi WZ studiati da ATLAS.
Per superare le principali sfide sperimentali, i ricercatori hanno sviluppato algoritmi di apprendimento automatico dedicati per estrarre le frazioni dei quattro tipi di eventi di polarizzazione articolare con un'incertezza relativa di circa il 20% al massimo. Hanno scoperto che le previsioni del modello standard per queste frazioni si trovano sempre all'interno della regione del livello di confidenza del 95,5% delle misurazioni, il che significa che non c'è tensione significativa con la teoria. I ricercatori hanno anche scoperto che il prodotto delle due frazioni di polarizzazione longitudinale a bosone singolo è circa il 50% al di sotto dell'effettiva frazione di polarizzazione articolare longitudinale-longitudinale. Questa è una misura diretta del ruolo svolto dalle correlazioni tra i due bosoni e dimostra che le due polarizzazioni del singolo bosone non sono indipendenti.
Questo risultato è uno sguardo affascinante ad alcune delle strutture più fondamentali del Modello Standard stesso. E la fattibilità delle misurazioni della polarizzazione articolare offre nuove opportunità per cercare nuovi fenomeni fisici, mirati a processi più specifici (e più rari). Basandosi sulle nuove tecniche sviluppate qui, i fisici possono ora prevedere la misurazione della polarizzazione articolare ancora più impegnativa dello scattering di due bosoni polarizzati longitudinalmente. + Esplora ulteriormente
