La collaborazione ATLAS osserva la produzione elettrodebole di due jet e una coppia di bosoni Z

13 aprile 2023 feature

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

La collaborazione ATLAS, il grande consorzio di ricerca coinvolto nell'analisi dei dati raccolti dal collider di particelle ATLAS al CERN, ha recentemente osservato la produzione elettrodebole di due bosoni Z e due getti. Questa osservazione cruciale, presentata in Nature Physics, potrebbe contribuire notevolmente alla comprensione della fisica delle particelle del modello standard (SM).

Il modello standard delle particelle è una teoria ben consolidata che descrive i mattoni di base e le forze fondamentali dell'universo. Questo modello descrive i bosoni deboli (ovvero bosoni responsabili della cosiddetta "forza debole") come mediatori dell'interazione elettrodebole.

La dispersione di bosoni deboli massivi, come i bosoni W e Z, è vincolata specificamente alle interazioni in cui i mediatori stessi portano la carica di queste interazioni. Questa dispersione, nota anche come scattering di bosoni vettoriali (VBS), coinvolge anche un tipo di diagrammi o vertici di Feynman noti (ovvero vertici di gauge quartici) che i fisici finora non sono stati in grado di analizzare sperimentalmente attraverso altri processi fisici.

"I vertici quartici di gauge sono una sezione finora non confermata dello SM, che è tuttavia di importanza centrale per la coerenza interna del modello", ha detto Gabriela Navarro, parte della collaborazione ATLAS, a Phys.org. "Un esempio di questa coerenza interna è una delicata cancellazione delle ampiezze di scattering che coinvolgono vertici a gauge tripli, vertici quartici di gauge e vertici che coinvolgono il bosone di Higgs. Uno studio di questi processi è un test indipendente e cruciale per il meccanismo BEH per la rottura della simmetria elettrodebole nello SM (EWSB)".

Dall'inizio, uno degli obiettivi cruciali dell'esperimento ATLAS al CERN è stato quello di cercare e misurare i processi VBS. La Run 1 dell'esperimento del Large Hadron Collider (LHD) ha raccolto le prime evidenze di questi processi che si verificano in due bosoni W con la stessa carica. Successivamente, VBS è stato osservato anche durante le interazioni tra bosoni W e Z.

"L'osservazione di un tale processo nel canale ZZ è molto impegnativa a causa della sua piccola sezione d'urto e richiede una buona modellazione e controllo dei processi di background, così come una buona ricostruzione e calibrazione degli oggetti fisici da parte del rivelatore ATLAS", ha spiegato Navarro.

"Il nostro recente lavoro completa l'osservazione di tutti i principali canali che coinvolgono i bosoni gauge elettrodeboli massivi e conferma la coerenza dei risultati sperimentali con il meccanismo previsto dal modello standard. Segna quindi anche l'inizio di una nuova era negli studi di precisione di tali processi rari nel settore elettrodebole."

Nel loro recente lavoro, la collaborazione ATLAS ha analizzato specificamente le collisioni protone-protone registrate durante la Run 2 del collider di particelle LHC, che si è svolta dal 2015 al 2018. Le particelle finali in questo collider interagiscono poi con il rivelatore ATLAS, lasciando segni o depositi di energia al suo interno che possono essere misurati e registrati. Questi depositi di energia registrati vengono poi ricostruiti in oggetti fisici come elettroni, muoni, getti, ecc.

"Riportiamo la prima osservazione della produzione elettrodebole di due bosoni Z e due getti, il processo più raro in cui può avvenire la dispersione di due bosoni di calibro massivi", ha detto Navarro. "L'osservazione, così come la coerenza con le previsioni dello SM, dimostra che lo SM della fisica delle particelle supera test rigorosi nella sezione più rara con sezione d'urto di produzione anche di 0,1 fb".

L'osservazione della produzione elettrodebole di due bosoni Z e due getti della collaborazione ATLAS potrebbe avere importanti implicazioni per ulteriori ricerche. Oltre a fornire evidenze sperimentali confermanti la robustezza del SM della fisica delle particelle, potrebbe motivare ulteriori indagini su un meccanismo chiamato rottura della simmetria elettrodebole (EWSB) che può derivare da VBS.

Tali indagini richiederanno probabilmente nuovi dati e tecniche sperimentali più avanzate. Il LHC ha iniziato a raccogliere nuovi dati nel 2022, che presto porteranno ad nuove misure da parte del rivelatore ATLAS. Questi dati potrebbero presto portare a nuove osservazioni e sforzi di ricerca eccitanti.

'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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