Отображение одного события-кандидата сигнала из канала lllljj, восстановленного детектором ATLAS. Зеленые линии показывают путь двух противоположно заряженных электронов. Красные линии показывают путь двух мюонов с противоположным зарядом. Две струи в передней и задней областях показаны желтым конусом. Авторское право CERN в интересах коллаборации ATLAS.
Лицензия CC-BY-4.0, повторно используется с разрешения.

СМ физики элементарных частиц — это хорошо зарекомендовавшая себя теория, описывающая строительные блоки и фундаментальные силы во Вселенной. В этой модели слабые бозоны (т.е. ответственные за так называемое «слабое взаимодействие») описываются как посредники электрослабого взаимодействия.

Рассеяние массивных слабых бозонов, таких как бозоны W и Z, ограничивается именно взаимодействиями, где сами посредники несут заряд этих взаимодействий. Это рассеяние, также известное как рассеяние векторных бозонов (VBS), также включает в себя известный тип фейнмановских диаграмм или вершин (т. е. вершины четвертой калибровки), которые физики до сих пор не могли экспериментально исследовать с помощью других физических процессов.

«Вершины четвертой калибровки — это пока неподтвержденная часть СМ, которая, однако, имеет центральное значение для самосогласованности модели», — сказала Phys.org Габриэла Наварро, участница коллаборации ATLAS. «Примером такой самосогласованности является тонкое сокращение амплитуд рассеяния, включающее вершины тройной калибровки, вершины четвертой калибровки и вершины, включающие бозон Хиггса. Изучение этих процессов является независимым и решающим тестом BEH-механизма для нарушения электрослабого симметрии в СМ (EWSB)».

С самого начала одной из важнейших целей эксперимента ATLAS в ЦЕРН был поиск и измерение процессов VBS. Первый запуск эксперимента на Большом адронном коллайдере (LHD) собрал первые свидетельства того, что эти процессы происходят в двух W-бозонах с одинаковым зарядом. В дальнейшем ВБС наблюдался и при взаимодействии W- и Z-бозонов.

Распределение многомерного дискриминанта в области сигнала lllljj. Полосы ошибок представляют собой стандартные отклонения и включают все систематические погрешности. Статистические погрешности данных показаны в виде планок погрешностей. ZZ (EW), ZZ (КХД) и ggZZ представляют собой вклады процессов EW, не-gg КХД и gg КХД ZZjj соответственно. Все второстепенные фоны суммируются как «Другие». Авторское право CERN в интересах коллаборации ATLAS.
Лицензия CC-BY-4.0, повторно используется с разрешения.

«Наблюдение такого процесса в канале ZZ очень сложно из-за его малого поперечного сечения и требует хорошего моделирования и контроля фоновых процессов, а также хорошей реконструкции и калибровки физических объектов детектором ATLAS», — пояснил Наварро.

«Наша недавняя работа завершает наблюдение всех основных каналов с участием массивных электрослабых калибровочных бозонов и подтверждает согласованность экспериментальных результатов с механизмом, предсказанным СМ. Таким образом, она также знаменует собой начало новой эры в прецизионных исследованиях таких редких процессов в электрослабый сектор».

В рамках своей недавней работы коллаборация ATLAS специально проанализировала протон-протонные столкновения, зарегистрированные во время запуска 2 коллайдера частиц LHC, который проходил с 2015 по 2018 год. Частицы в конечном состоянии в этом коллайдере затем взаимодействуют с детектором ATLAS, оставляя попадания или запасы энергии внутри него, которые можно измерить и записать. Эти зарегистрированные запасы энергии затем реконструируются в физические объекты, такие как электроны, мюоны, джеты и т. д.

«Мы сообщаем о первом наблюдении электрослабого рождения двух Z-бозонов и двух джетов — редчайшего процесса, при котором может происходить рассеяние двух массивных калибровочных бозонов», — сказал Наварро. «Наблюдение, а также согласованность с предсказаниями СМ показывают, что СМ физики элементарных частиц выдерживает строгие испытания вплоть до самых редких углов с поперечным сечением производства всего 0,1 фбн».

Наблюдение коллаборации ATLAS электрослабого рождения двух Z-бозонов и двух струй может иметь важное значение для дальнейших исследований. В дополнение к предоставлению экспериментальных доказательств, подтверждающих надежность СМ в физике элементарных частиц, это может мотивировать дальнейшие исследования механизма, называемого нарушением электрослабой симметрии (EWSB), который может быть результатом VBS.

Такие исследования, скорее всего, потребуют новых данных и более совершенных экспериментальных методов. LHC начал собирать новые данные в 2022 году, что вскоре приведет к новым измерениям детектора ATLAS. Эти данные вскоре могут привести к новым захватывающим наблюдениям и исследованиям.

«Ожидается, что в более длительном масштабе времени LHC высокой светимости предоставит 3000 данных на фб, что будет в 20 раз больше, чем набор данных, проанализированный в этой статье», — добавил Наварро. «После эпохи наблюдений у нас будут более точные измерения процессов VBS с гораздо большим набором данных, что поможет исследовать EWSB с более высокой точностью, а также искать любые возможные отклонения от прогноза СМ. В конечном итоге это позволит нам проверить, является ли механизм BEH тем, что сформулирован в СМ, или могут быть другие структуры».