Die ATLAS-Kollaboration am CERN gab die erste Beobachtung der "Erschaffung des WWW" bekannt: die gleichzeitige Produktion von drei massiven W-Bosonen bei Kollisionen am Large Hadron Collider (LHC).
Als Trägerteilchen elektroschwacher Kraft spielt das W-Boson eine entscheidende Rolle im Standardmodell der Teilchenphysik. Obwohl das W-Boson vor fast vier Jahrzehnten entdeckt wurde, eröffnet es Physikern weiterhin neue Forschungswege. Insbesondere ermöglichte seine Forschung den Wissenschaftlern, das Standardmodell durch genaue Messungen seltener Prozesse zu testen.
Nun gab die ATLAS-Kollaboration die erste Beobachtung eines seltenen Prozesses bekannt: die gleichzeitige Produktion von drei W-Bosonen. ATLAS-Forscher analysierten den kompletten LHC Run-2-Datensatz, der zwischen 2015 und 2018 vom Detektor aufgezeichnet wurde, um einen Prozess mit einer statistischen Signifikanz von 8,2 Standardabweichungen zu beobachten – weit über dem Schwellenwert von 5 Standardabweichungen, der zur Validierung der Beobachtung erforderlich ist. Dieses Ergebnis folgt einer früheren Beobachtung der CMS-Kollaboration der inklusiven Drei-Boson-Produktion.
Dieses Maß an Genauigkeit zu erreichen, war keine leichte Aufgabe. Physiker analysierten etwa 20 Milliarden Kollisionsereignisse, die mit dem ATLAS-Experiment aufgezeichnet und vorgefiltert wurden, und fanden nur einige hundert Ereignisse, die vom WWW-Prozess erwartet wurden.
Diese Ereignisse wurden durch fast fünfmal mehr Hintergrundereignisse verdeckt, die die Signalsignatur nachahmen.
Als eines der schwersten bekannten Elementarteilchen kann das W-Boson auf verschiedene Weise zerfallen. ATLAS-Physiker haben ihre Suche auf die vier WWW-Zerfallsarten mit dem größten Entdeckungspotenzial aufgrund weniger Hintergrundereignisse konzentriert. In drei dieser Regime zerfallen zwei W-Bosonen in geladene Leptonen (Elektronen oder Myonen), die die gleiche positive oder negative Ladung und Neutrinos tragen, während das dritte W-Boson in ein Paar leichter Quarks (sogenannte "2l-Kanäle") zerfällt. ... Im vierten Zerfallsmodus zerfallen alle drei W-Bosonen in ein geladenes Lepton und ein Neutrino (der sogenannte "Kanal 3l").
Um das WWW-Signal von einer großen Anzahl von Hintergrundereignissen zu isolieren, verwendeten die Forscher eine maschinelle Lerntechnik namens Boosted Decision Trees (BDT).
Der BDT kann trainiert werden, um bestimmte Signale im ATLAS-Detektor zu identifizieren, indem kleine, aber entscheidende Unterschiede zwischen bekannten Variablen identifiziert werden. Für diese Analyse trainierten Physiker zwei BDTs: einen für die 2l-Kanäle mit 12 gut modellierten Variablen und den anderen für den 3l-Kanal mit 11 Variablen.
Diese aufregende Dimension ermöglicht es Physikern, nach Hinweisen auf neue Wechselwirkungen zu suchen, die außerhalb der aktuellen energetischen Reichweite des LHC existieren könnten.
Insbesondere Physiker können den WWW-Erstellungsprozess nutzen, um die Wechselwirkungen von Eichbosonen vierten Grades zu untersuchen, einem Schlüsselparameter des Standardmodells. Neue Teilchen können aufgrund von Quanteneffekten die Wechselwirkung von Bosonen vierten Grades verändern und so den Wirkungsquerschnitt der WWW-Produktion verändern. Die kontinuierliche Erforschung des WWW und anderer elektroschwacher Prozesse eröffnet einen verlockenden Weg nach vorne.
Die Studie wurde auf der EPS-HEP 2021-Konferenz vorgestellt.
2021-07-28 14:29:54
Autor: Vitalii Babkin