Exibição de eventos de colisão próton-próton registrados pelo experimento CMS. Um evento candidato de produção simultânea de W +, dois bósons Z, com múltiplos elétrons e múons (isto é, 5 elétrons neste caso). Crédito:Colaboração CMS.
O modelo padrão, a teoria existente mais exaustiva delineando interações de partículas fundamentais, prevê a existência do que é conhecido como interações triboson. Essas interações são processos nos quais bósons de calibre três são produzidos simultaneamente a partir de um evento do Grande Colisor de Hádrons.
As interações do Triboson são incrivelmente raras, muitas vezes até centenas de vezes mais raros do que os eventos do bóson de Higgs, já que normalmente ocorrem uma vez a cada 100 bilhões de colisões próton-próton. Embora o modelo padrão preveja sua existência, os físicos até agora não foram capazes de observá-los experimentalmente.
A Colaboração CMS, um grande grupo de pesquisadores de vários institutos de física em todo o mundo observou recentemente pela primeira vez a produção de três bósons de calibre massivos em colisões próton-próton. Seu papel, publicado em Cartas de revisão física , oferece a primeira evidência experimental da existência de interações triboson, abrindo novas possibilidades para o estudo das interações entre bósons de calibre massivos fundamentais, ou seja, o W ±, Z, e bóson de Higgs.
"A raridade e a novidade das interações triboson foram a principal força motriz por trás de nossa decisão de embarcar em uma busca por esses eventos, "Saptaparna Bhattacharya, pós-doutorado associado da Northwestern University e distinto pesquisador do LHC Physics Center do Fermilab, disse a Phys.org. "Nossa conquista é o culminar de tentativas anteriores de buscar esses processos pelas colaborações ATLAS e CMS em energias de centro de massa de 8 e 13 TeV."
O experimento CMS é um esforço de pesquisa em andamento com base no uso de um detector de uso geral no LHC (ou seja, o Compact Muon Solenóide ou CMS). Ao longo dos últimos anos, Bhattacharya e o resto do CMS Collaboration usaram este detector para coletar dados relacionados às interações de partículas, que poderia auxiliar na busca por matéria escura e facilitar a descoberta de novas físicas.
Em seu estudo recente, os pesquisadores examinaram um grande conjunto de dados compilado usando o detector entre 2016 e 2018, conforme eles perceberam que as interações triboson estão se tornando mais acessíveis e têm taxas de eventos grandes o suficiente para serem discernidas dos sinais de fundo. Assim, eles começaram a procurar tribosons ou VVV (ou seja, onde V =W +, C-, Bósons Z) e estabelecer a existência de interações triboson em 5,7 desvios-padrão, o que implica que a probabilidade da observação ser uma flutuação do fundo é de uma em 10 6 , ou um em 1 milhão.
"Embora a maioria dos modos de decaimento do triboson envolvam jatos hadrônicos, um subconjunto de eventos que dão origem a elétrons e múons (coletivamente conhecidos como leptons) levam a assinaturas distintas no detector, "Bhattacharya explicou." O detector CMS é o instrumento mais conhecido para detectar léptons e aproveitamos esse recurso para isolar os eventos raros de VVV de processos de fundo. "
A probabilidade de que grandes bósons sejam produzidos em colisões próton-próton é maior em um centro de energia de massa de 13 TeV, em comparação com energias de centro de massa mais baixas avaliadas em estudos anteriores. Usando requisitos de seleção de sinal ideal, os pesquisadores foram, portanto, capazes de isolar o raro processo triboson de sinais de fundo no conjunto de dados CMS 2016-2018.
"A presença dos bósons W ± e Z produzidos em colisões próton-próton pode ser inferida pela detecção de seus produtos de decaimento, "Philip Chang, pesquisador de pós-doutorado na University of California San Diego e parte do CMS Collaboration, disse a Phys.org. "Um dos sinais mais claros de sua presença é a detecção de elétrons e múons de alto momentum. Como o processo que queríamos detectar envolve três bósons de calibre massivos, múltiplos elétrons e múons devem estar presentes enquanto o evento ocorre, enquanto em outros eventos de fundo que não produzem vários bósons de calibre massivo, o número de elétrons e múons é baixo. Assim, procuramos eventos de colisão próton-próton com vários elétrons e múons para observar o processo de sinal muito raro de eventos de fundo. "
Nos dados que eles analisaram, Bhattacharya, Chang e o resto da Colaboração CMS identificaram claramente a produção de três bósons de calibre massivos em uma colisão próton-próton. Suas descobertas são uma contribuição significativa para o campo da física de partículas, à medida que introduzem novas possibilidades para estudar as interações entre os bósons de calibre massivos. No futuro, este estudo pode ajudar a melhorar a compreensão atual dos diferentes tipos de bósons grandes, incluindo o bóson de Higgs recentemente descoberto.
"A observação da produção de três bósons de calibre pesado em uma colisão do LHC constitui um marco importante na física do LHC, "Bhattacharya explicou." No início, éramos céticos quanto à descoberta desses processos em um estágio tão inicial do programa do LHC. Esta descoberta lança luz sobre a interação fundamental entre os bósons de calibre e abre uma nova janela para os detalhes intrincados do modelo padrão. "
A Colaboração CMS agora planeja conduzir estudos adicionais explorando o processo detectado, além de expandir sua análise para também pesquisar eventos com W ±, e o bóson Z decai em quarks e neutrinos. Isso permitirá que eles testem a validade do Modelo Padrão ainda mais e, potencialmente, desvendem novos fenômenos físicos que não podem ser explicados pelas teorias da física existentes.
"Atualmente, estamos estudando as interações triboson em detalhes, tendo estabelecido sua existência, "Chang disse." Um dos principais objetivos de nosso próximo artigo será examinar os processos triboson recém-descobertos e procurar por sinais reveladores da física além do que é previsto pelo Modelo Padrão. "
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