No Modelo Padrão da física de partículas, o mecanismo de Brout-Englert-Higgs fornece massa para partículas elementares. Enquanto os físicos estão realizando estudos diretos do bóson de Higgs para testar esse mecanismo, sondas de outras partículas que têm massa também podem fornecer informações. Por exemplo, os bósons W e Z - os portadores da força fraca - obtêm sua massa do mecanismo de Higgs. Isso afeta sua polarização, ou seja, o grau pelo qual seu spin quântico está alinhado a uma determinada direção. Os bósons W e Z têm um spin de 1 e podem ser polarizados longitudinalmente como consequência direta de serem massivos - em outras palavras, seu spin pode ser orientado perpendicularmente à direção de seu movimento.
A produção simultânea de dois bósons W ou Z (ou produção "diboson") permite que os físicos estudem as interações fundamentais entre os bósons. Esses processos raros ainda precisam ser totalmente testados em relação às previsões do Modelo Padrão, e estudar a polarização dos bósons produzidos é uma maneira de revelar novos efeitos físicos. Embora a polarização dos bósons W e Z separadamente tenha sido estudada desde a era do Large Electron-Positron Collider (LEP), o antecessor do Large Hadron Collider (LHC), dois desses bósons produzidos simultaneamente com uma polarização longitudinal nunca foram observados. . Com a riqueza de dados coletados durante a execução 2 do LHC e métodos de análise inovadores, os pesquisadores do ATLAS agora podem estudar os estados de polarização conjunta dos eventos de produção de diboson.

Em um novo estudo apresentado na conferência ICHEP 2022, os físicos do ATLAS puderam observar eventos com um bóson W e um Z simultaneamente polarizados longitudinalmente pela primeira vez. Para alcançar esse resultado, os pesquisadores identificaram eventos contendo um bóson W e um bóson Z. Eles se concentraram em eventos em que os bósons se transformam, ou "decompõem", em partículas chamadas léptons, pois deixam a assinatura mais clara no detector ATLAS. A polarização dos bósons pais em tais eventos WZ se manifesta em observáveis ​​angulares que têm distribuições muito distintas para diferentes estados de polarização.

No entanto, nem todos os quatro possíveis estados de polarização conjunta WZ – longitudinal-longitudinal, longitudinal-transversal, transversal-longitudinal e transversal-transversal – são igualmente prováveis. Os eventos mais interessantes, com ambos os bósons exibindo uma polarização longitudinal, estão bem escondidos - eles representam apenas cerca de 7% de todos os eventos WZ, totalizando apenas 1.200 dos 17.100 eventos WZ estudados pelo ATLAS.

Para superar os principais desafios experimentais, os pesquisadores desenvolveram algoritmos dedicados de aprendizado de máquina para extrair as frações dos quatro tipos de eventos de polarização conjunta com uma incerteza relativa de cerca de 20%, no máximo. Eles descobriram que as previsões do Modelo Padrão para essas frações sempre estão dentro da região do nível de confiança de 95,5% das medições, o que significa que não há tensão significativa com a teoria. Os pesquisadores também descobriram que o produto das duas frações de polarização longitudinal de bóson único é cerca de 50% abaixo da fração de polarização conjunta longitudinal-longitudinal real. Esta é uma medida direta do papel desempenhado pelas correlações entre os dois bósons e demonstra que as duas polarizações de um único bóson não são independentes.

Este resultado é uma visão fascinante de algumas das estruturas mais fundamentais do próprio Modelo Padrão. E a viabilidade de medições de polarização conjunta oferece novas oportunidades para procurar novos fenômenos físicos, visando processos mais específicos (e mais raros). Com base nas novas técnicas desenvolvidas aqui, os físicos podem agora imaginar a medição de polarização conjunta ainda mais desafiadora da dispersão de dois bósons polarizados longitudinalmente. + Explorar mais

Refinando a imagem do bóson de Higgs