La collaboration ATLAS observe la production électrofaible d'une paire de bosons Z et de deux jets.

13 avril 2023 fonctionnalité

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

La collaboration ATLAS, un vaste consortium de recherche impliqué dans l'analyse des données collectées par le collisionneur de particules ATLAS au CERN, a récemment observé la production électrofaible de deux bosons Z et de deux jets. Cette observation cruciale, présentée dans Nature Physics, pourrait contribuer grandement à la compréhension de la physique des particules du modèle standard (MS).

Le MS de la physique des particules est une théorie bien établie décrivant les éléments constitutifs et les forces fondamentales de l'univers. Ce modèle décrit les bosons faibles (c'est-à-dire les bosons responsables de la soi-disant 'force faible') comme des médiateurs de l'interaction électrofaible.

La diffusion de bosons faibles massifs, tels que les bosons W et Z, est limitée spécifiquement aux interactions, où les médiateurs portent eux-mêmes la charge de ces interactions. Cette diffusion, également connue sous le nom de diffusion de bosons vecteurs (VBS), implique également un type de diagrammes ou de sommets de Feynman connus (c'est-à-dire des sommets de jauges quadratiques) que les physiciens n'ont jusqu'à présent pas été en mesure de sonder expérimentalement à travers d'autres processus physiques.

'Les sommets de jauges quadratiques sont une section jusqu'à présent non confirmée du MS, qui est cependant d'une importance centrale pour l'autocohérence du modèle', a déclaré Gabriela Navarro, membre de la collaboration ATLAS, à Phys.org. 'Un exemple de cette autocohérence est une annulation délicate des amplitudes de diffusion impliquant des sommets de jauges triples, des sommets de jauges quadratiques et des sommets impliquant le boson de Higgs. Une étude de ces processus est un test indépendant et crucial du mécanisme BEH (Brout–Englert–Higgs) pour la brisure de la symétrie électrofaible dans le MS.'

Dès le début, l'un des objectifs cruciaux de l'expérience ATLAS au CERN a été de rechercher et de mesurer les processus VBS. La première preuve de ces processus s'est produite lors de la première phase de l'expérience du Grand collisionneur de hadrons (LHC), qui a rassemblé des preuves de ces processus se produisant dans deux bosons W avec la même charge. Par la suite, VBS a également été observé lors d'interactions entre les bosons W et Z.

'L'observation d'un tel processus dans la voie ZZ est très difficile en raison de sa section efficace réduite et nécessite une bonne modélisation et maîtrise des processus de bruit de fond, ainsi qu'une bonne reconstruction et calibration des objets physiques par le détecteur ATLAS', explique Navarro.

'Notre article récent complète l'observation de tous les canaux majeurs impliquant des bosons de jauge électrofaibles massifs et confirme la cohérence des résultats expérimentaux avec le mécanisme prédit par le MS. Cela marque donc également le début d'une nouvelle ère d'études de précision de tels processus rares dans le secteur électrofaible.'

Dans le cadre de leur travail récent, la collaboration ATLAS a analysé spécifiquement les collisions proton-proton enregistrées lors de la phase 2 du collisionneur de particules LHC, qui a duré de 2015 à 2018. Les particules finales de cet accélérateur de particules interagissent ensuite avec le détecteur ATLAS, laissant des coups ou des dépôts d'énergie à l'intérieur qui peuvent être mesurés et enregistrés. Ces dépôts d'énergie enregistrés sont ensuite reconstruits en objets physiques tels que des électrons, des muons, des jets, etc.

'Nous rapportons la première observation de la production électrofaible de deux bosons Z et de deux jets, le processus le plus rare où la diffusion de deux bosons de jauge massifs peut se produire', explique Navarro. 'L'observation ainsi que la cohérence avec les prévisions du MS montrent que le MS de la physique des particules résiste à des tests rigoureux jusqu'au coin le plus rare avec une section efficace de production aussi faible que 0,1 fb.'

L'observation de la collaboration ATLAS de la production électrofaible de deux bosons Z et de deux jets pourrait avoir des implications importantes pour la recherche future. En plus de fournir des preuves expérimentales confirmant la robustesse du MS de la physique des particules, cela pourrait inciter à de nouvelles investigations d'un mécanisme appelé brisure de la symétrie électrofaible (EWSB) qui peut résulter de VBS.

De telles investigations nécessiteront probablement de nouvelles données et des techniques expérimentales plus avancées. Le LHC a commencé à collecter de nouvelles données en 2022, qui se traduiront bientôt par de nouvelles mesures du détecteur ATLAS. Ces données pourraient bientôt conduire à de nouvelles observations passionnantes et à des efforts de recherche.

'At a longer time scale, the high-luminosity LHC is expected to deliver 3000/fb of data, which will be 20 times of the dataset analyzed in this paper,' Navarro added. 'After the observation era, we will have more precise measurements of the VBS processes with much larger dataset, which will help to probe the EWSB with higher precision, as well as look for any possible deviation from the SM prediction. Eventually, this will allow us to check if the BEH-Mechanism is the one formulated in the SM or there might be other more structures.'

Journal information: Nature Physics

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