En el modelo estándar de física de partículas, el mecanismo de Brout-Englert-Higgs proporciona masa a las partículas elementales. Mientras que los físicos están llevando a cabo estudios directos del bosón de Higgs para probar este mecanismo, las pruebas de otras partículas que tienen masa también pueden proporcionar información. Por ejemplo, los bosones W y Z, los portadores de la fuerza débil, obtienen su masa del mecanismo de Higgs. Esto afecta su polarización, es decir, el grado en que su giro cuántico se alinea en una dirección determinada. Los bosones W y Z tienen un giro de 1 y pueden polarizarse longitudinalmente como consecuencia directa de su masa; en otras palabras, su giro puede orientarse perpendicularmente a su dirección de movimiento.

La producción simultánea de dos bosones W o Z (o producción de "dibosones") permite a los físicos estudiar interacciones fundamentales entre bosones. Estos raros procesos aún no se han probado por completo con las predicciones del modelo estándar, y estudiar la polarización de los bosones producidos es una forma de revelar potencialmente nuevos efectos físicos. Si bien la polarización de los bosones W y Z por separado se ha estudiado desde la era del Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP), el predecesor del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), nunca se han observado dos bosones de este tipo producidos simultáneamente con una polarización longitudinal. . Con la gran cantidad de datos recopilados durante la ejecución 2 del LHC y los métodos de análisis innovadores, los investigadores de ATLAS ahora pueden estudiar los estados de polarización conjunta de los eventos de producción de diboson.

En un nuevo estudio presentado en la conferencia ICHEP 2022, los físicos de ATLAS han podido observar eventos con un bosón W y Z simultáneamente polarizados longitudinalmente por primera vez. Para lograr este resultado, los investigadores identificaron eventos que contenían tanto un bosón W como un bosón Z. Se centraron en eventos en los que los bosones se transforman, o "descomponen", en partículas llamadas leptones, ya que dejan la firma más clara en el detector ATLAS. La polarización de los bosones principales en tales eventos WZ se manifiesta en observables angulares que tienen distribuciones muy distintas para diferentes estados de polarización.

Sin embargo, no todos los cuatro posibles estados de polarización conjunta WZ (longitudinal-longitudinal, longitudinal-transversal, transversal-longitudinal y transversal-transversal) son igualmente probables. Los eventos más interesantes, con ambos bosones exhibiendo una polarización longitudinal, están bien ocultos:representan solo alrededor del 7 % de todos los eventos WZ, lo que equivale a solo 1200 de los 17 100 eventos WZ estudiados por ATLAS.

Para superar los principales desafíos experimentales, los investigadores desarrollaron algoritmos de aprendizaje automático específicos para extraer las fracciones de los cuatro tipos de eventos de polarización conjunta con una incertidumbre relativa de alrededor del 20 %, como máximo. Descubrieron que las predicciones del modelo estándar para estas fracciones siempre se encuentran dentro de la región del nivel de confianza del 95,5 % de las mediciones, lo que significa que no existe una tensión significativa con la teoría. Los investigadores también descubrieron que el producto de las dos fracciones de polarización longitudinal de un solo bosón es aproximadamente un 50% inferior a la fracción real de polarización conjunta longitudinal-longitudinal. Esta es una medida directa del papel que juegan las correlaciones entre los dos bosones y demuestra que las dos polarizaciones de un solo bosón no son independientes.

Este resultado es una mirada fascinante a algunas de las estructuras más fundamentales del propio Modelo Estándar. Y la viabilidad de las mediciones de polarización conjunta brinda nuevas oportunidades para buscar nuevos fenómenos físicos, apuntando a procesos más específicos (y más raros). Sobre la base de las técnicas novedosas desarrolladas aquí, los físicos ahora pueden imaginar la medición de polarización conjunta aún más desafiante de la dispersión de dos bosones polarizados longitudinalmente. + Explora más

Refinando la imagen del bosón de Higgs