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ATLAS 报告对 WWW 玻色子生产的首次观察

2021-07-27 10:11     来源:CERN     ATLAS LHC
ATLAS 合作宣布了对 WWW 产生的首次观察:在高能 LHC 碰撞中同时产生三个大质量 W 玻色子。


显示候选 WWW → 3 轻子 + 中微子事件。该事件通过其衰变为一个 μ 子(红线)、两个电子(蓝线)和缺失的横向能量(白色虚线)来识别。 (图片:欧洲核子研究中心)

今天,在2021 年 EPS-HEP 会议上,ATLAS 合作宣布了对一个罕见过程的首次观察:同时产生了三个 W 玻色子。

W玻色子作为电弱力的载体,在粒子物理标准模型的检验中起着至关重要的作用。尽管在近四年前被发现,W 玻色子继续为物理学家提供新的探索途径。

ATLAS 研究人员分析了探测器在 2015 年至 2018 年期间记录的完整 LHC Run-2 数据集,以观察 WWW 过程,其统计显着性为 8.2 个标准差——远高于宣布观察所需的 5 个标准差阈值。这一结果是在 CMS 协作对包容性三弱玻色子产生的早期观察之后得出的。

达到这种精度水平绝非易事。物理学家分析了大约 200 亿个由 ATLAS 实验记录和预过滤的碰撞事件,以寻找 WWW 过程中预期的几百个事件。

作为已知最重的基本粒子之一,W 玻色子能够以几种不同的方式衰变。ATLAS 物理学家将搜索重点放在四种 WWW 衰变模式上,这些模式由于减少了背景事件的数量而具有最佳的发现潜力。在其中三种模式中,两个 W 玻色子衰变成带 相同正电荷或负电荷的带电轻子(电子或 μ 子)和中微子,而第三个 W 玻色子衰变成一对轻夸克。在第四衰变模式中,所有三个 W 玻色子都衰变成带电的轻子和中微子。

为了从大量背景事件中挑选出 WWW 信号,研究人员使用了一种称为增强决策树 (BDT) 的机器学习技术。可以训练 BDT 识别 ATLAS 探测器中的特定信号,发现预测事件属性之间的微小但关键的差异。BDT 提供的信号和背景之间改进的分离以及 LHC 运行 2 提供的大量数据集提高了整体测量的精度,并实现了对 WWW 生产的首次观察。

这一令人兴奋的测量还允许物理学家寻找可能存在于 LHC 当前能量范围之外的新相互作用的线索。特别是,物理学家可以使用 WWW 生产过程来研究四次规范玻色子耦合——其中两个 W 玻色子相互散射——这是标准模型的一个关键特性。 新粒子可以通过量子效应改变四次规范玻色子耦合,从而改变 WWW 生产截面。对 WWW 和其他电弱过程的持续研究提供了一条诱人的前进道路。

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