Zespół CMS – jednego z głównych eksperymentów przy Wielkim Zderzaczu Hadronów – ogłosił właśnie nowe pomiary rzadkiego procesu produkcji par ciężkich bozonów. Badacze po raz pierwszy wykorzystali w tym celu dane zbierane w CERN w latach 2022-2024. Kluczowy wkład w analizę mieli naukowcy z Zakładu Fizyki Wielkich Energii NCBJ.

Jednym z najskuteczniejszych narzędzi do badania mechanizmu Higgsa i oddziaływania elektrosłabego jest rzadki proces znany jako rozpraszanie bozonów wektorowych (vector boson scattering, VBS). W procesie tym dwa ciężkie bozony (W lub Z) powstają w wyniku zderzeń protonów o wysokiej energii i oddziałują, zanim oddalą się od siebie. Proces VBS jest szczególnie wrażliwy na wewnętrzną spójność Modelu Standardowego. Bezpośrednio bada on, w jaki sposób bozony W i Z oddziałują ze sobą – w tym oddziaływania obejmujące jednocześnie cztery bozony, tzw. wierzchołek kwartyczny (quartic gauge couplings). Gdyby oddziaływania te choć nieznacznie odbiegały od przewidywań, zmieniłaby się częstotliwość obserwowanych zdarzeń, co potencjalnie mogłoby wskazywać na istnienie nowej fizyki wykraczającej poza Model Standardowy.

– Ponieważ nie przewiduje się, aby energia zderzeń w LHC wzrosła znacząco w najbliższej przyszłości, najbardziej obiecującą perspektywą jest wykorzystanie większych zbiorów danych i udoskonalenie technik analitycznych w celu badania rzadkich procesów Modelu Standardowego z dużą precyzją. VBS jest jednym z takich rzadkich procesów, zapewniającym wysoką czułość na efekty nowej fizyki – wyjaśnia Monika Ghimiray, doktorantka z Zakładu Fizyki Wielkich Energii NCBJ.

Eksperyment CMS przeprowadził pierwsze pomiary elektrosłabej produkcji par WW o tym samym ładunku i WZ przy energii 13,6 TeV, wykorzystując dane zebrane w latach 2022-2024. Nowa wartość energii odpowiada najnowszemu okresowi zbierania danych LHC i pozwala naukowcom na weryfikację teorii na niespotykaną dotąd skalę. Analiza koncentruje się na dwóch kanałach: wytwarzaniu dwóch bozonów W o tym samym ładunku elektrycznym oraz wytwarzaniu bozonu W i bozonu Z. Kanał WW o tym samym ładunku jest szczególnie cenny, ponieważ charakteryzuje się mniejszą liczbą procesów tła, które mogłyby zniekształcić sygnał.

Aby zidentyfikować te rzadkie zdarzenia, naukowcy poszukują zderzeń, w których powstają albo dwa leptony o tym samym ładunku (elektrony lub miony), albo trzy leptony naładowane, wraz z brakującym pędem pochodzącym od neutrin i dwoma dżetami cząstek o dużej energii. Cechą charakterystyczną VBS jest to, że dżety są silnie rozdzielone i mają dużą łączną masę, co pomaga odróżnić produkcję elektrosłabą od bardziej powszechnych procesów oddziaływania silnego, które mogą prowadzić do podobnych stanów końcowych.

W celu oddzielenia sygnału od tła oraz pomiaru częstości produkcji, czyli przekrojów czynnych, wykorzystuje się zaawansowane techniki statystyczne. W rezultacie uzyskano wyraźne obserwacje obu procesów przy energii 13,6 TeV, których istotność statystyczna znacznie przekracza standardowy próg detekcji. Oprócz pomiaru ogólnych częstości produkcji w badaniu przeanalizowano rozkład zdarzeń w odniesieniu do kluczowych zmiennych kinematycznych, co pozwoliło na przeprowadzenie bardziej szczegółowej weryfikacji teorii.

Jak dotąd wyniki pomiarów są zgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego. Potwierdza to, że siła elektrosłaba – w tym mechanizm Higgsa oraz oddziaływania własne bozonów W i Z – zachowuje się przy nowej energii zgodnie z oczekiwaniami. W miarę gromadzenia kolejnych danych badania będą stawały się coraz dokładniejsze, umożliwiając bardziej czułe testy pod kątem ewentualnej nowej fizyki ukrytej w strukturze oddziaływań fundamentalnych. – Wraz ze wzrostem statystyki możemy zweryfikować duże poprawki elektrosłabe do procesów VBS i przetestować najnowocześniejsze symulacje – opisuje Jie Xiao, doktorant w IPPP Durham i Imperial College, który uczestniczył w analizie.

– Obserwacja anomalnego wierzchołka kwartycznego może sygnalizować istnienie cięższej odmiany bozonu Higgsa, nawet jeśli ta odmiana jest zbyt ciężka, by można ją było wytworzyć bezpośrednio w LHC.  W tym celu potrzebujemy jednak bardzo wysokiej statystyki oraz dalszego postępu w technikach analizy danych, aby zmniejszyć niepewności systematyczne. W ramach Run 3 testujemy możliwości, ale najciekawsze wyniki pojawią się w fazie High Luminosity LHC – podsumowuje dr hab. Michał Szleper, prof. NCBJ, ekspert w tematyce VBS.

Publikacja naukowa dotycząca najnowszych badań pojawi się w najbliższych miesiącach.

Autor: Monika Ghimiray