ATLAS-experimentet vid CERN har precis släppt bevis för samtidig produktion av tre W- eller Z-bosoner i proton-protonkollisioner vid Large Hadron Collider (LHC). W- och Z-bosonerna är mediatorpartiklarna för den svaga kraften – en av de fyra kända fundamentala krafterna – som är ansvarig för fenomenet radioaktivitet samt en viktig ingrediens i vår sols termonukleära process.

Ett nytt fönster för utforskning

Det nya ATLAS-resultatet baseras på data som samlats in av ATLAS under 2015–2017 vid en kollisionsenergi på 13 TeV. Det ger bevis på "tri-boson"-händelser med en signifikans av 4 standardavvikelser. Denna indikation är bara det senaste kapitlet i en decennier lång historia av mätningar med svaga bosoner. W- och Z-bosonerna upptäcktes 1983 vid CERN:s proton-antiprotonkollider. 1996, vid CERNs Large Electron-Positron (LEP) kolliderare, händelser med två W-bosoner observerades först, och kort därefter hittades ZZ-händelser. Ett decennium efter det, WW, WZ- och ZZ-händelser observerades vid Fermilabs Tevatron collider. Stora mängder dibosonhändelser produceras nu vid LHC, möjliggör exakta mätningar.

Sällsynta tri-bosonproduktionsprocesser förutsägs av standardmodellen för partikelfysik. Deras produktion involverar självinteraktion mellan de svaga bosonerna, så kallade trippel och kvarts gauge boson kopplingar, som är känsliga för möjliga bidrag från ännu okända partiklar eller krafter.

Eftersom svaga bosoner är instabila, de rekonstrueras i detektorn via deras sönderfall till par av leptoner (inklusive osynliga neutriner) eller kvarkar – de senare bildar sprayer av partiklar, kallas "jets". ATLAS-fysiker kombinerade sökningar efter olika sönderfallslägen och olika typer av tri-bosonproduktion, inklusive evenemang med tre W-bosoner ("WWW"), och händelser med en W boson, en Z-boson och en tredje boson av endera sorten. De senare är kända som "WVZ"-evenemang, där "V" är en förkortning för "W eller Z."

En teknik som användes av ATLAS-fysiker för att söka efter "WWW"-händelser använde den beräknade invarianta massan av två jetstrålar och jämförde denna med massan av W-bosonen (Figur 1). Detta gjorde det möjligt för dem att avgöra om strålarna var resultatet av ett W-bosonförfall. Sådana tekniker har använts av fysiker i decennier (inklusive i upptäckten av Higgs-bosonen 2012).

WVZ-analysen, å andra sidan, använder maskininlärningstekniker för att identifiera tri-boson-händelser. Flera multivariata algoritmer i form av boostade beslutsträd (BDT) tränades för att lära sig vilka händelser i data som kommer från tri-bosonproduktion och vilka som härrör från andra standardmodellprocesser. Genom att överväga olika särdrag i händelsen – såsom leptonernas momenta, den totala momentumobalansen och antalet jetplan – BDT:erna kan härleda (mer effektivt än människor) ursprunget till data. I sista hand, BDT:erna identifierade en del av uppgifterna som troliga härrörande från WVZ-produktion.

Sammanlagt, den resulterande ATLAS-mätningen (Figur 2) visar sig överensstämma med standardmodellens förutsägelse, vilket ger ytterligare en pusselbit i vår förståelse av partikelfysik.