ATLAS Collaboration vid CERN tillkännager den första observationen av "WWW-produktion":Den samtidiga skapandet av tre massiva W-bosoner i högenergikrockar med Large Hadron Collider (LHC).

Som en bärarpartikel av den elektrosvaga kraften, W-bosonen spelar en avgörande roll i standardmodellen för partikelfysik. Även om det upptäcktes för nästan fyra decennier sedan, W-bosonen fortsätter att ge fysiker nya vägar för utforskning. Särskilt, dess studie har gjort det möjligt för forskare att testa standardmodellen genom exakta mätningar av sällsynta processer.

I dag, vid EPS-HEP-konferensen 2021, ATLAS Collaboration tillkännagav den första observationen av en sällsynt process:den samtidiga produktionen av tre W-bosoner. ATLAS-forskare analyserade hela LHC Run-2-dataset, registrerades av detektorn mellan 2015 och 2018, att observera processen med en statistisk signifikans på 8,2 standardavvikelser – långt över den 5 standardavvikelseströskel som krävs för att göra anspråk på observation. Detta resultat följer en tidigare observation av CMS Collaboration av inkluderande tre svaga bosonproduktion.

Att uppnå denna precisionsnivå var ingen enkel bedrift. Fysiker analyserade omkring 20 miljarder kollisionshändelser registrerade och förfiltrerade av ATLAS-experimentet, letar efter bara några hundra händelser som förväntas från WWW-processen. Dessa händelser begravdes i nästan fem gånger fler bakgrundshändelser som efterliknar signalsignaturen.

Som en av de tyngsta kända elementarpartiklarna, W-bosonen kan sönderfalla på flera olika sätt. ATLAS-fysiker fokuserade sitt sökande på de fyra WWW-förfallslägena med den bästa upptäcktspotentialen, på grund av deras minskade antal bakgrundshändelser. I tre av dessa lägen, två W-bosoner sönderfaller till laddade leptoner (elektroner eller myoner), bär samma positiva eller negativa laddning, och neutriner, medan den tredje W-bosonen sönderfaller till ett par lätta kvarkar (kallade "2l-kanalerna"). I det fjärde sönderfallsläget, alla tre W-bosonerna sönderfaller till en laddad lepton och neutrino (kallad "3l-kanalen").

För att plocka ut WWW-signalen från det stora antalet bakgrundshändelser, forskare använde en maskininlärningsteknik som kallas Boosted Decision Trees (BDT). BDT:er kan tränas för att identifiera specifika signaler i ATLAS-detektorn, upptäcka små – men viktiga – skillnader mellan välkända variabler. För denna analys, fysiker tränade två BDT:er:En för 2l-kanalerna med 12 välmodellerade variabler, och den andra för 3l-kanalen med 11 variabler.

Figuren visar BDT-fördelningen för 3l-kanalen. Den förbättrade separationskraften mellan signal och bakgrund som tillhandahålls av BDT – tillsammans med den massiva datamängden som tillhandahålls av Run 2 av LHC – förbättrade precisionen i den övergripande mätningen och möjliggjorde den första observationen av http://www. Den observerade signifikansen av mätningen är 8,2 standardavvikelser. Tvärsnittet uppmättes till 850 ± 100 (statistiskt) ± 80 (systematiskt) fb, jämfört med standardmodellens förutsagda tvärsnitt på 511 ± 42 fb.

Denna spännande mätning tillåter också fysiker att leta efter tips om nya interaktioner som kan existera utanför LHC:s nuvarande energiräckvidd. Särskilt, fysiker kan använda WWW-produktionsprocessen för att studera kvartsmätarbosonkopplingen, en nyckelparameter i standardmodellen. Nya partiklar kan förändra kvartsmätarbosonkopplingen genom kvanteffekter, modifiering av WWW-produktionstvärsnittet. Den fortsatta studien av WWW och andra elektrosvaga processer ger en lockande väg framåt.