Dados comparados à expectativa para a distribuição da massa invariante de dois jatos. O sinal (VVV, em amarelo) é escalado para o valor medido. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
O Experimento ATLAS no CERN acaba de lançar evidências para a produção simultânea de três bósons W ou Z em colisões próton-próton no Grande Colisor de Hádrons (LHC). Os bósons W e Z são as partículas mediadoras da força fraca - uma das quatro forças fundamentais conhecidas - que é responsável pelo fenômeno da radioatividade e também um ingrediente essencial para o processo termonuclear do nosso Sol.
Uma nova janela para exploração
O novo resultado do ATLAS é baseado em dados coletados pelo ATLAS durante 2015–2017 com uma energia de colisão de 13 TeV. Ele fornece evidências de eventos "tri-boson" com uma significância de 4 desvios padrão. Essa indicação é apenas o capítulo mais recente em uma história de décadas de medições com bósons fracos. Os bósons W e Z foram descobertos em 1983 no colisor de prótons-antiprótons do CERN. Em 1996, no colisor Large Electron-Positron (LEP) do CERN, eventos com dois bósons W foram observados pela primeira vez, e logo em seguida os eventos ZZ foram encontrados. Uma década depois disso, WW, Os eventos WZ e ZZ foram observados no colisor Tevatron do Fermilab. Grandes taxas de eventos de diboson são agora produzidas no LHC, permitindo medições precisas.
Os raros processos de produção de tri-bosons são previstos pelo Modelo Padrão da física de partículas. Sua produção envolve auto-interação entre os bósons fracos, os chamados acoplamentos de bóson de calibre triplo e quártico, que são sensíveis a possíveis contribuições de partículas ou forças ainda desconhecidas.
Combinação de duas medições (normalizadas para suas previsões do Modelo Padrão) na WWW e duas nos canais WVZ, em estados finais com um número diferente de leptões. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
Uma vez que os bósons fracos são instáveis, eles são reconstruídos no detector por meio de seus decaimentos em pares de léptons (incluindo neutrinos invisíveis) ou quarks - o último formando sprays de partículas, chamados de "jatos". Os físicos do ATLAS combinaram pesquisas por diferentes modos de decaimento e diferentes tipos de produção de tri-boson, incluindo eventos com três bósons W ("WWW"), e eventos com um bóson W, um bóson Z e um terceiro bóson de qualquer variedade. Os últimos são conhecidos como eventos "WVZ", onde o "V" é uma abreviação de "W ou Z."
Uma técnica empregada pelos físicos do ATLAS para pesquisar eventos "WWW" usou a massa invariante calculada de dois jatos e comparou-a com a massa do bóson W (Figura 1). Isso permitiu que eles determinassem se os jatos eram o resultado de um decaimento do bóson W. Essas técnicas têm sido usadas por físicos há décadas (incluindo na descoberta do bóson de Higgs em 2012).
A análise WVZ, por outro lado, emprega técnicas de aprendizado de máquina para identificar eventos tri-boson. Vários algoritmos multivariados na forma de árvores de decisão impulsionadas (BDTs) foram treinados para aprender quais eventos nos dados são de produção de tri-boson e quais surgem de outros processos do Modelo Padrão. Ao considerar várias características do evento - como os momentos dos leptões, o desequilíbrio geral do momentum e o número de jatos - os BDTs são capazes de deduzir (com mais eficiência do que os humanos) a origem dos dados. Em última análise, os BDTs identificaram alguns dos dados como provavelmente originários da produção de WVZ.
Completamente, a medição ATLAS resultante (Figura 2) está de acordo com a previsão do Modelo Padrão, fornecendo assim mais uma peça do quebra-cabeça em nossa compreensão da física de partículas.
