В 2012 году коллаборации ATLAS и CMS на ускорителе LHC в ЦЕРН открыли бозон Хиггса. Это стало первым экспериментальным подтверждением существования поля Хиггса, предсказанного еще в 1964 году, и позволило связать происхождение массы элементарных частиц с процессом нарушения электрослабой симметрии. Несмотря на фундаментальность открытия, детали работы этого механизма до сих пор остаются одними из наименее изученных аспектов Стандартной модели.
Новое достижение в этой области было представлено коллаборацией ATLAS на конференции Rencontres de Moriond на прошлой неделе. Анализ основан на полном наборе данных по столкновениям протонов, собранных в ходе второго этапа работы LHC с 2015 по 2018 год при энергии 13 ТэВ. Результаты опубликованы на сервере препринтов arXiv и демонстрируют первое экспериментальное свидетельство ключевого процесса с участием W-бозонов.
В рамках Стандартной модели электромагнитное и слабое взаимодействия объединены в единую электрослабую силу. В ранней Вселенной, вскоре после Большого взрыва, эта симметрия была полной, но после охлаждения произошел её разрыв, и W- и Z-бозоны приобрели массу, в то время как фотон остался безмассовым. Этот разрыв симметрии объясняется механизмом Брота-Энглера-Хиггса (BEH), чью реальность впервые подтвердила находка бозона Хиггса.
Следующим этапом исследований стало изучение свойств самого бозона Хиггса, в частности, его взаимодействий с другими частицами. Одна из главных задач — убедиться, что массы элементарных частиц действительно обусловлены их взаимодействием с полем BEH. Согласно теории, механизм должен приводить к особым видам взаимодействий: как к самодействию бозона Хиггса, так и к взаимодействию между продольно поляризованными W- и Z-бозонами. Изучение самодействия Хиггса возможно не ранее запуска Высоколюминисцентного LHC (HL-LHC) в 2030 году, а, возможно, и только на будущих ускорителях. Однако столкновения продольно поляризованных калибровочных бозонов доступны для анализа уже сейчас.
Поляризация — это ориентация спина частицы в пространстве. Продольная поляризация, когда спин направлен вдоль или против импульса, возможна только для массивных частиц. Существование продольно поляризованных W (WL) и Z (ZL) — прямое следствие механизма BEH. Изучение столкновений WL–WL считается одним из самых чувствительных тестов природы нарушения электрослабой симметрии.
В эксперименте ATLAS продольно поляризованные W-бозоны исследовались в процессе рассеяния векторов — так называемом вектор-бозонном рассеянии (VBS). В этом процессе два кварка из сталкивающихся протонов испускают W-бозоны, которые затем взаимодействуют и могут образовывать пары W- или Z-бозонов. Для идентификации событий анализировались распады обоих W-бозонов в электрон или мюон и соответствующий нейтрино, а также два форвардных струйных следа от кварков в противоположных направлениях. Ключевым признаком для отбора событий было совпадение по знаку заряда у двух лептонов, что снижает шум от фоновых процессов, прежде всего от пар топ-кварков. Итоговый сигнал — пара электронов или мюонов одного знака, две струи и пропавшая энергия (нейтрино).
Определить поляризацию W-бозонов напрямую невозможно, поэтому используются корреляции направлений вылета электронов и мюонов, а также других частиц в событии. Для выделения вклада продольно и поперечно поляризованных W-бозонов были обучены специальные нейронные сети.
В результате анализа получено статистически значимое (на уровне 3,3 сигма) свидетельство того, что хотя бы один из двух взаимодействующих W-бозонов был продольно поляризован. Как отметил Юшен Ву, координатор группы Стандартной модели в ATLAS: «Это измерение — веха в исследовании фундаментальных физических процессов через взаимодействия поляризованных бозонов в реакциях вектор-бозонного рассеяния».
Данный результат открывает путь к дальнейшему изучению столкновений продольно поляризованных бозонов с помощью свежих данных LHC Run-3 и будущих экспериментов HL-LHC, что позволит глубже понять природу массы и фундаментальных взаимодействий.
Изображение носит иллюстративный характер
Новое достижение в этой области было представлено коллаборацией ATLAS на конференции Rencontres de Moriond на прошлой неделе. Анализ основан на полном наборе данных по столкновениям протонов, собранных в ходе второго этапа работы LHC с 2015 по 2018 год при энергии 13 ТэВ. Результаты опубликованы на сервере препринтов arXiv и демонстрируют первое экспериментальное свидетельство ключевого процесса с участием W-бозонов.
В рамках Стандартной модели электромагнитное и слабое взаимодействия объединены в единую электрослабую силу. В ранней Вселенной, вскоре после Большого взрыва, эта симметрия была полной, но после охлаждения произошел её разрыв, и W- и Z-бозоны приобрели массу, в то время как фотон остался безмассовым. Этот разрыв симметрии объясняется механизмом Брота-Энглера-Хиггса (BEH), чью реальность впервые подтвердила находка бозона Хиггса.
Следующим этапом исследований стало изучение свойств самого бозона Хиггса, в частности, его взаимодействий с другими частицами. Одна из главных задач — убедиться, что массы элементарных частиц действительно обусловлены их взаимодействием с полем BEH. Согласно теории, механизм должен приводить к особым видам взаимодействий: как к самодействию бозона Хиггса, так и к взаимодействию между продольно поляризованными W- и Z-бозонами. Изучение самодействия Хиггса возможно не ранее запуска Высоколюминисцентного LHC (HL-LHC) в 2030 году, а, возможно, и только на будущих ускорителях. Однако столкновения продольно поляризованных калибровочных бозонов доступны для анализа уже сейчас.
Поляризация — это ориентация спина частицы в пространстве. Продольная поляризация, когда спин направлен вдоль или против импульса, возможна только для массивных частиц. Существование продольно поляризованных W (WL) и Z (ZL) — прямое следствие механизма BEH. Изучение столкновений WL–WL считается одним из самых чувствительных тестов природы нарушения электрослабой симметрии.
В эксперименте ATLAS продольно поляризованные W-бозоны исследовались в процессе рассеяния векторов — так называемом вектор-бозонном рассеянии (VBS). В этом процессе два кварка из сталкивающихся протонов испускают W-бозоны, которые затем взаимодействуют и могут образовывать пары W- или Z-бозонов. Для идентификации событий анализировались распады обоих W-бозонов в электрон или мюон и соответствующий нейтрино, а также два форвардных струйных следа от кварков в противоположных направлениях. Ключевым признаком для отбора событий было совпадение по знаку заряда у двух лептонов, что снижает шум от фоновых процессов, прежде всего от пар топ-кварков. Итоговый сигнал — пара электронов или мюонов одного знака, две струи и пропавшая энергия (нейтрино).
Определить поляризацию W-бозонов напрямую невозможно, поэтому используются корреляции направлений вылета электронов и мюонов, а также других частиц в событии. Для выделения вклада продольно и поперечно поляризованных W-бозонов были обучены специальные нейронные сети.
В результате анализа получено статистически значимое (на уровне 3,3 сигма) свидетельство того, что хотя бы один из двух взаимодействующих W-бозонов был продольно поляризован. Как отметил Юшен Ву, координатор группы Стандартной модели в ATLAS: «Это измерение — веха в исследовании фундаментальных физических процессов через взаимодействия поляризованных бозонов в реакциях вектор-бозонного рассеяния».
Данный результат открывает путь к дальнейшему изучению столкновений продольно поляризованных бозонов с помощью свежих данных LHC Run-3 и будущих экспериментов HL-LHC, что позволит глубже понять природу массы и фундаментальных взаимодействий.
