Två bland de sällsynta processerna som hittills undersökts vid Large Hadron Collider, spridningen mellan W- och Z-bosoner som avges av kvarkar vid proton-protonkollisioner, har fastställts genom ATLAS -experimentet vid CERN.

W- och Z -bosoner spelar samma medierande roll för den svaga kärnkraftsinteraktionen som fotoner gör för elektromagnetism. När ljusstrålar av fotoner från facklor eller lasrar oberörd tränger in i varandra, elektromagnetiska "lightabers" kommer för alltid att förbli science fiction. Dock, strålar av W- och Z -bosoner - eller "svaga ljusstrålar" - kan spridas från varandra.

En av de viktigaste motivationerna för att bygga Large Hadron Collider (LHC) vid CERN var att studera exakt denna process, kallas svag "vektor bosonspridning" (VBS). En kvark i var och en av två protoner som kolliderar måste utstråla en W- eller en Z -boson. Dessa extremt kortlivade partiklar kan bara flyga ett avstånd på 0,1x10 ^-15 m innan de omvandlas till andra partiklar, och deras interaktion med andra partiklar är begränsad till ett område på 0,002x10 ^-15 m. Med andra ord, dessa extremt korta "svaga ljussabrar" sträcker sig bara ungefär 1/10 av en protons radie och måste närma sig varandra med 1/500:e av en protons radie! En sådan extremt osannolik slump händer bara ungefär en gång i 20, 000 miljarder proton-proton-interaktioner, registreras vanligtvis under en dag med LHC -operation.

Med data från 2016, ATLAS har nu utan tvekan observerat WZ och WW elektriskt svag produktion, med den dominerande delen av det är den svaga vektors bosonspridning:W ^± W ^± → W ^± W ^± och W ^± Z → W ^± Z. Detta fortsätter experimentets långa resa för att granska VBS -processen:med hjälp av 8 TeV -data från 2012, ATLAS hade fått det första beviset för W ^± W ^± → W ^± W ^± process med 18 kandidatevenemang. Ett sådant utbyte skulle uppstå med en sannolikhet på mindre än 1:3000 som en ren statistisk fluktuation. Nu, vid en högre mass-mass-energi på 13 TeV, ATLAS har identifierat 60 W ^± W ^± → W ^± W ^± evenemang, vilket bara skulle hända mindre än en gång i 200 miljarder fall som en fluktuation från rena bakgrundsprocesser. Detta motsvarar en statistisk signifikans av 6,9 standardavvikelser (σ) ovanför bakgrunden. Förutom sönderfallsprodukterna från de spridda W- eller Z -bosonerna, processens signatur är två högenergiska partikelstrålar som härrör från de två kvarkerna som ursprungligen utstrålade W eller Z.

ATLAS har också kombinerat 2015 och 2016 data för att fastställa spridningen av W ^± Z → W ^± Z med en statistisk signifikans på 5,6 σ över bakgrunden. I denna kanal, data med lägre energi från 2012 hade avslöjat en betydelse av endast 1,9σ, inte tillräckligt för att hävda några bevis för processen. Den här gången, tack vare en multivariat "BDT" -analysteknik som implementerades 2016, ATLAS kunde isolera 44 signalkandidathändelser, varav ungefär hälften avslöjar "BDT -poäng" -värden över 0,4, där endast lite bakgrund finns.

För denna spridningsprocess av vektorbosoner, tre grundläggande standardmodell "hörn" bidrar:interaktionen via den välkända "trippel-boson-kopplingen" reduceras drastiskt genom bidrag från "kvartisk-boson-kopplingar" och "boson-Higgs-kopplingarna". Endast den sistnämnda säkerställer att hastigheten för denna spridning för stora massmedelsenergier följer den grundläggande "enhetlighet" -lagen, att en sannolikhet inte kan vara större än 100%. Med upptäckten av VBS, ett nytt kapitel av standardmodelltester har börjat, tillåter ATLAS att granska de hittills experimentellt otillgängliga kvart-boson-kopplingarna och egenskaperna hos Higgs-bosonen.