I standardmodellen för partikelfysik ger Brout-Englert-Higgs-mekanismen massa till elementarpartiklar. Medan fysiker utför direkta studier av Higgs-bosonen för att testa denna mekanism, kan sonder av andra partiklar som har massa också ge insikt. Till exempel får W- och Z-bosonerna - bärarna av den svaga kraften - sin massa från Higgs-mekanismen. Detta påverkar deras polarisering, det vill säga graden med vilken deras kvantspinn är inriktat i en given riktning. W- och Z-bosonerna har ett spinn på 1 och kan polariseras i längdriktningen som en direkt konsekvens av att de är massiva – med andra ord kan deras spinn vara orienterad vinkelrätt mot deras rörelseriktning.

Den samtidiga produktionen av två W- eller Z-bosoner (eller "diboson"-produktion) gör det möjligt för fysiker att studera grundläggande interaktioner mellan bosoner. Dessa sällsynta processer har ännu inte testats helt mot standardmodellens förutsägelser, och att studera polariseringen av de producerade bosonerna är ett sätt att potentiellt avslöja nya fysikeffekter. Medan polariseringen av W- och Z-bosoner separat har studerats sedan eran av Large Electron-Positron (LEP) collider, föregångaren till Large Hadron Collider (LHC), har två sådana bosoner producerade samtidigt med en longitudinell polarisation aldrig observerats . Med den mängd data som samlats in under körning 2 av LHC och innovativa analysmetoder kan ATLAS-forskare nu studera de gemensamma polariseringstillstånden för dibosonproduktionshändelser.

I en ny studie som presenterades vid ICHEP 2022-konferensen har ATLAS-fysiker kunnat observera händelser med både en W- och en Z-boson som samtidigt polariserats longitudinellt för allra första gången. För att uppnå detta resultat identifierade forskarna händelser som innehåller både en W-boson och en Z-boson. De fokuserade på händelser där bosonerna omvandlas, eller "förfaller", till partiklar som kallas leptoner, eftersom dessa lämnar den tydligaste signaturen i ATLAS-detektorn. Polariseringen av föräldrabosonerna i sådana WZ-händelser manifesterar sig i vinkelobserverbara objekt som har mycket distinkta distributioner för olika polarisationstillstånd.

Emellertid är inte alla de fyra möjliga WZ-ledpolarisationstillstånden - longitudinell-längsgående, longitudinell-tvärgående, tvärgående-längsgående och tvärgående-tvärgående - lika sannolika. De mest intressanta händelserna, där båda bosonerna uppvisar en longitudinell polarisering, är väl dolda – de representerar bara cirka 7 % av alla WZ-händelser, vilket motsvarar bara 1 200 av de 17 100 WZ-händelser som studerats av ATLAS.

För att övervinna de största experimentella utmaningarna utvecklade forskare dedikerade maskininlärningsalgoritmer för att extrahera fraktionerna av de fyra typerna av gemensamma polarisationshändelser med en relativ osäkerhet på högst cirka 20 %. De fann att standardmodellens förutsägelser för dessa fraktioner alltid ligger inom 95,5 % konfidensnivå för mätningarna, vilket betyder att det inte finns någon signifikant spänning med teorin. Forskare fann också att produkten av de två longitudinella polarisationsfraktionerna med en boson ligger cirka 50 % under den faktiska longitudinella-longitudinella polarisationsfraktionen. Detta är ett direkt mått på vilken roll korrelationerna mellan de två bosonerna spelar och visar att de två enkelbosonpolarisationerna inte är oberoende.

Detta resultat är en fascinerande titt på några av de mest grundläggande strukturerna i själva standardmodellen. Och genomförbarheten av gemensamma polarisationsmätningar ger nya möjligheter att leta efter nya fysikfenomen, inriktade på mer specifika (och sällsyntare) processer. Byggande på de nya tekniker som utvecklats här, kan fysiker nu föreställa sig den ännu mer utmanande gemensamma polarisationsmätningen av spridningen av två longitudinellt polariserade bosoner. + Utforska vidare

Förfina bilden av Higgs-bosonen