Physiker beobachteten zunächst die Bildung von drei Bosonen bei Proton-Proton-Kollisionen
Das Standardmodell, die umfassendste der existierenden Theorien, die die Wechselwirkungen grundlegender Teilchen beschreiben, sagt die Existenz der sogenannten Drei-Boson-Wechselwirkungen voraus. Diese Wechselwirkungen sind Prozesse, bei denen drei Arten von Bosonen gleichzeitig als Ergebnis eines einzelnen Ereignisses am Large Hadron Collider erzeugt werden.
Drei-Boson-Wechselwirkungen sind unglaublich selten, oft hunderte Male seltener als Higgs-Boson-Ereignisse, da sie normalerweise alle 100 Milliarden Proton-Proton-Kollisionen auftreten. Obwohl das Standardmodell ihre Existenz vorhersagt, konnten Physiker sie noch nicht experimentell beobachten.
Die CMS Collaboration, eine große Gruppe von Forschern aus vielen Physikinstituten auf der ganzen Welt, hat kürzlich erstmals die Bildung von drei massiven Eichbosonen bei Proton-Proton-Kollisionen beobachtet (Eichbosonen sind Bosonen, die als Träger grundlegender Wechselwirkungen fungieren).
Ihre in Physical Review Letters veröffentlichte Arbeit bietet den ersten experimentellen Beweis für die Existenz von Drei-Boson-Wechselwirkungen und eröffnet neue Möglichkeiten für die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen fundamentalen Massiv-Messbosonen, nämlich dem W ±, Z-Boson und dem Higgs-Boson.
"Die Seltenheit und Neuheit von Drei-Boson-Wechselwirkungen war die Hauptantriebskraft für unsere Entscheidung, nach diesen Ereignissen zu suchen", sagte Saptaparna Bhattacharya, Forscherin am LHC-Physikzentrum in Fermilab. "Unsere Errungenschaft ist der Höhepunkt früherer Versuche, nach diesen Prozessen zu suchen, die sowohl von ATLAS als auch von CMS bei Energien von 8 und 13 TeV durchgeführt wurden."
Das CMS-Experiment ist eine laufende Studie, die auf der Verwendung eines Allzweckdetektors am LHC basiert (z. B. eines kompakten Myon-Solenoids oder CMS). In den letzten Jahren haben Mitglieder der CMS Collaboration diesen Detektor verwendet, um Daten zu Partikelwechselwirkungen zu sammeln, die bei der Suche nach dunkler Materie und der Entdeckung neuer Physik helfen könnten.
In ihrer jüngsten Studie untersuchten Physiker den großen Datensatz, den der Detektor zwischen 2016 und 2018 gesammelt hatte, als sie feststellten, dass Triboson-Wechselwirkungen leichter verfügbar wurden und eine ausreichend hohe Ereignisrate aufwiesen, um von Hintergrundsignalen unterschieden zu werden.
Also machten sie sich auf die Suche nach Tribosonen oder VVVs (wobei V = W +, W-, Z-Bosonen) und stellten die Existenz von Drei-Bosonen-Wechselwirkungen bei 5,7 Standardabweichungen fest, was bedeutet, dass die Beobachtungswahrscheinlichkeit 1 zu 106 Hintergrundschwankungen beträgt, oder eine Chance in einer Million.
"Die Beobachtung der Bildung von drei schweren Bosonen bei einer einzigen Kollision ist ein wichtiger Meilenstein in der Physik des LHC", erklärte Saptaparna Bhattacharya. „Zu Beginn waren wir skeptisch, diese Prozesse in einem so frühen Stadium des LHC-Programms zu erkennen. Diese Entdeckung beleuchtet die grundlegende Wechselwirkung zwischen Messbosonen und eröffnet ein neues Fenster in die komplizierten Details des Standardmodells. “
Die CMS-Zusammenarbeit plant nun, weitere Untersuchungen durchzuführen, um den von ihnen entdeckten Prozess zu untersuchen und seine Analyse zu erweitern, um auch nach Ereignissen mit W ± - und Z-Boson-Zerfällen in Quarks und Neutrinos zu suchen.
Auf diese Weise können sie die Richtigkeit des Standardmodells weiter überprüfen und möglicherweise neue physikalische Phänomene aufdecken, die durch bestehende physikalische Theorien nicht erklärt werden können.