Событие-кандидат ATLAS для бозона W и Z, возникшее одновременно с продольной поляризацией. Кредит: АТЛАС/ЦЕРН

В Стандартной модели физики элементарных частиц механизм Браута-Энглерта-Хиггса придает массу элементарным частицам. В то время как физики проводят прямые исследования бозона Хиггса для проверки этого механизма, исследования других частиц, обладающих массой, также могут дать представление. Например, бозоны W и Z — носители слабого взаимодействия — получают свою массу благодаря механизму Хиггса. Это влияет на их поляризацию, то есть на степень, в которой их квантовый спин выровнен по заданному направлению. Бозоны W и Z имеют спин, равный 1, и могут быть продольно поляризованы как прямое следствие их массивности — другими словами, их спин может быть ориентирован перпендикулярно направлению их движения.

Одновременное образование двух бозонов W или Z (или образование «дибозонов») позволяет физикам изучать фундаментальные взаимодействия между бозонами. Эти редкие процессы еще предстоит полностью проверить на соответствие предсказаниям Стандартной модели, и изучение поляризации образующихся бозонов — это способ потенциально раскрыть новые физические эффекты. В то время как поляризация бозонов W и Z по отдельности изучалась со времен Большого электрон-позитронного (LEP) коллайдера, предшественника Большого адронного коллайдера (LHC), два таких бозона, рожденных одновременно с продольной поляризацией, никогда не наблюдались. . Благодаря большому количеству данных, собранных во время запуска 2 LHC, и инновационным методам анализа, исследователи ATLAS теперь могут изучать состояния совместной поляризации по производству дибозона.

В новом исследовании, представленном на конференции ICHEP 2022, физики ATLAS впервые смогли наблюдать события с одновременно продольно поляризованными бозонами W и Z. Для достижения этого результата исследователи идентифицировали события, содержащие как W-бозон, так и Z-бозон. Они сосредоточились на событиях, когда бозоны превращаются или «распадаются» в частицы, называемые лептонами, поскольку они оставляют самые четкие следы в детекторе ATLAS. Поляризация родительских бозонов в таких событиях WZ проявляется в угловых наблюдаемых, которые имеют очень разные распределения для разных состояний поляризации.

Однако не все четыре возможных состояния совместной поляризации ВЗ — продольно-продольное, продольно-поперечное, поперечно-продольное и поперечно-поперечное — равновероятны. Самые интересные события, в которых оба бозона проявляют продольную поляризацию, хорошо скрыты — они составляют всего около 7% всех событий WZ, что составляет всего 1200 из 17 100 событий WZ, изученных ATLAS.

Чтобы преодолеть основные экспериментальные проблемы, исследователи разработали специальные алгоритмы машинного обучения для извлечения долей четырех типов событий совместной поляризации с относительной неопределенностью не более 20%. Они обнаружили, что предсказания Стандартной модели для этих фракций всегда лежат в пределах 95,5% области достоверности измерений, а это означает, что с теорией нет значительных противоречий. Исследователи также обнаружили, что произведение двух долей продольной поляризации одиночного бозона примерно на 50% ниже фактической доли продольно-продольной совместной поляризации. Это прямая мера роли, которую играют корреляции между двумя бозонами, и демонстрирующая, что две поляризации одного бозона не являются независимыми.

Этот результат представляет собой захватывающий взгляд на некоторые из наиболее фундаментальных структур самой Стандартной модели. А возможность измерения совместной поляризации предоставляет новые возможности для поиска новых физических явлений, нацеленных на более конкретные (и более редкие) процессы. Основываясь на новых методах, разработанных здесь, физики теперь могут предусмотреть еще более сложное измерение совместной поляризации рассеяния двух продольно поляризованных бозонов.