Visualización de eventos de colisión protón-protón registrados por el experimento CMS. Un evento candidato de producción simultánea de W +, dos bosones Z, con múltiples electrones y muones (es decir, 5 electrones en este caso). Crédito:Colaboración CMS.
El modelo estándar, la teoría existente más exhaustiva que describe las interacciones fundamentales de las partículas, predice la existencia de lo que se conoce como interacciones triboson. Estas interacciones son procesos en los que se producen simultáneamente bosones de tres calibres a partir de un evento del Gran Colisionador de Hadrones.
Las interacciones de tribosón son increíblemente raras, a menudo hasta cientos de veces más raros que los eventos del bosón de Higgs, ya que suelen tener lugar una vez cada 100 mil millones de colisiones protón-protón. Aunque el modelo estándar predice su existencia, los físicos hasta ahora no habían podido observarlos experimentalmente.
La colaboración CMS, un gran grupo de investigadores de numerosos institutos de física de todo el mundo ha observado recientemente la producción de tres bosones gauge masivos en colisiones protón-protón por primera vez en la historia. Su papel publicado en Cartas de revisión física , ofrece la primera evidencia experimental de la existencia de interacciones triboson, abriendo nuevas posibilidades para el estudio de las interacciones entre bosones gauge masivos fundamentales, a saber, la W ±, Z, y bosón de Higgs.
"La rareza y la novedad de las interacciones de tribuson fue la principal fuerza que guió nuestra decisión de embarcarnos en la búsqueda de estos eventos, "Saptaparna Bhattacharya, investigador asociado postdoctoral en la Northwestern University e investigador distinguido en el LHC Physics Center en Fermilab, dijo Phys.org. "Nuestro logro es la culminación de intentos anteriores de buscar estos procesos mediante las colaboraciones de ATLAS y CMS en el centro de energías de masa de 8 y 13 TeV".
El experimento CMS es un esfuerzo de investigación en curso basado en el uso de un detector de propósito general en el LHC (es decir, el Solenoide Compact Muon o CMS). En los ultimos años, Bhattacharya y el resto de CMS Collaboration utilizaron este detector para recopilar datos relacionados con las interacciones de partículas, lo que podría ayudar a la búsqueda de materia oscura y facilitar el descubrimiento de nueva física.
En su estudio reciente, los investigadores examinaron un gran conjunto de datos compilado con el detector entre 2016 y 2018, a medida que se dieron cuenta de que las interacciones triboson se están volviendo más accesibles y tienen tasas de eventos lo suficientemente grandes como para distinguirse de las señales de fondo. Por lo tanto, se dispusieron a buscar tribosons o VVV (es decir, donde V =W +, W-, Bosones Z) y establecer la existencia de interacciones tribosón en 5.7 desviaciones estándar, lo que implica que la probabilidad de que la observación sea una fluctuación del fondo es de una en 10 6 , o uno en 1 millón.
"Si bien la mayoría de los modos de desintegración de tribosones involucran chorros hadrónicos, un subconjunto de eventos que dan lugar a electrones y muones (conocidos colectivamente como leptones) conducen a firmas distintivas en el detector, "Explicó Bhattacharya." El detector CMS es el instrumento más conocido para detectar leptones y aprovechamos esta característica para aislar los raros eventos VVV de los procesos de fondo ".
La probabilidad de que se produzcan grandes bosones en colisiones protón-protón es mayor en un centro de energía de masa de 13 TeV, en comparación con las energías de centro de masa más bajas evaluadas en estudios anteriores. Utilizando los requisitos de selección de señal óptimos, De este modo, los investigadores pudieron aislar el raro proceso de triboson de las señales de fondo en el conjunto de datos CMS 2016-2018.
"La presencia de los bosones W ± y Z producidos en las colisiones protón-protón se puede inferir detectando sus productos de desintegración, "Philip Chang, investigador postdoctoral en la Universidad de California en San Diego y parte de la Colaboración CMS, dijo Phys.org. "Uno de los signos más claros de su presencia es la detección de electrones y muones de alto momento. Dado que el proceso que queríamos detectar involucra tres bosones gauge masivos, Deben estar presentes múltiples electrones y muones mientras ocurre el evento, mientras que en otros eventos de fondo que no producen múltiples bosones de calibre masivo, el número de electrones y muones es bajo. Por lo tanto, buscamos eventos de colisión protón-protón con múltiples electrones y muones para observar el proceso de señal muy raro de los eventos de fondo ".
En los datos que analizaron, Bhattacharya, Chang y el resto de la Colaboración CMS identificaron claramente la producción de tres bosones gauge masivos en una colisión protón-protón. Sus hallazgos son una contribución significativa al campo de la física de partículas, ya que introducen nuevas posibilidades para estudiar interacciones entre bosones gauge masivos. En el futuro, este estudio podría ayudar a mejorar la comprensión actual de los diferentes tipos de bosones grandes, incluido el bosón de Higgs recientemente descubierto.
"La observación de la producción de tres bosones de gran calibre en una colisión del LHC constituye un hito importante en la física del LHC, "Bhattacharya explicó." Al principio, éramos escépticos sobre el descubrimiento de estos procesos en una etapa tan temprana del programa del LHC. Este descubrimiento arroja luz sobre la interacción fundamental entre los bosones gauge y abre una nueva ventana a los intrincados detalles del Modelo Estándar ".
La Colaboración CMS ahora planea realizar más estudios que exploren el proceso que detectaron, además de ampliar su análisis para buscar también eventos con W ±, y el bosón Z se descompone en quarks y neutrinos. Esto les permitirá probar más la validez del Modelo Estándar y potencialmente revelar nuevos fenómenos físicos que no pueden ser explicados por las teorías físicas existentes.
"Actualmente estamos estudiando las interacciones triboson en detalle, habiendo establecido su existencia, "Dijo Chang." Uno de los principales objetivos de nuestro próximo artículo será examinar los procesos de tribosón recién descubiertos y buscar signos reveladores de la física más allá de lo que predice el Modelo Estándar ".
© 2020 Science X Network
