Les physiciens ont observé pour la première fois la création de trois bosons dans des collisions proton-proton
Le modèle standard, la plus complète des théories existantes décrivant les interactions des particules fondamentales, prédit l'existence des interactions dites à trois bosons. Ces interactions sont des processus dans lesquels trois types de bosons sont produits simultanément par un seul événement au Grand collisionneur de hadrons.
Les interactions à trois bosons sont incroyablement rares, souvent des centaines de fois moins fréquentes que les événements du boson de Higgs, puisqu'elles se produisent généralement une fois tous les 100 milliards de collisions proton-proton. Bien que le modèle standard prédit leur existence, les physiciens n'ont toujours pas pu les observer expérimentalement.
La CMS Collaboration, un grand groupe de chercheurs de nombreux instituts de physique du monde entier, a récemment observé pour la première fois la formation de trois bosons massifs de jauge dans des collisions proton-proton (les bosons de jauge sont des bosons qui agissent comme des porteurs d'interactions fondamentales).
Leur article, publié dans Physical Review Letters, offre la première preuve expérimentale de l'existence d'interactions à trois bosons, ouvrant de nouvelles possibilités pour étudier les interactions entre les bosons de jauge massifs fondamentaux, à savoir le boson W ±, Z et le boson de Higgs.
«La rareté et la nouveauté des interactions à trois bosons ont été le principal moteur de notre décision de commencer à rechercher ces événements», a déclaré Saptaparna Bhattacharya, chercheuse au Centre de physique du LHC au Laboratoire Fermi. "Notre réussite est l'aboutissement de précédentes tentatives de recherche de ces processus, entreprises à la fois par ATLAS et CMS à des énergies de 8 et 13 TeV."
L'expérience CMS est une étude en cours basée sur l'utilisation d'un détecteur polyvalent au LHC (par exemple, un solénoïde muon compact ou CMS). Au cours des dernières années, les membres de la Collaboration CMS ont utilisé ce détecteur pour collecter des données liées aux interactions des particules qui pourraient aider à rechercher de la matière noire et faciliter la découverte de nouvelles physiques.
Dans leur étude récente, les physiciens ont examiné le vaste ensemble de données collecté par le détecteur entre 2016 et 2018, car ils se sont rendu compte que les interactions tribosoniques devenaient plus facilement disponibles et avaient un taux d'événements suffisamment élevé pour être distingués des signaux de fond.
Ils se sont donc mis à rechercher des tribosons ou VVV (où V = W +, W-, Z-bosons) et ont établi l'existence d'interactions à trois bosons à 5,7 écarts-types, ce qui signifie que la probabilité d'observation est une fluctuation de fond de 1 sur 106, ou une chance sur un million.
«L'observation de la formation de trois bosons de gros calibre en une seule collision est une étape importante dans la physique du LHC», a expliqué Saptaparna Bhattacharya. «Au début, nous étions sceptiques quant à la détection de ces processus à un stade aussi précoce du programme LHC. Cette découverte met en lumière les interactions fondamentales entre les bosons de jauge et ouvre une nouvelle fenêtre sur les détails complexes du modèle standard. "
La collaboration CMS prévoit maintenant de mener des recherches supplémentaires pour étudier le processus qu'ils ont découvert, ainsi que d'étendre son analyse pour rechercher également des événements avec des désintégrations du boson W ± et Z en quarks et neutrinos.
Cela leur permettra de vérifier en outre l'exactitude du modèle standard et de révéler potentiellement de nouveaux phénomènes physiques qui ne peuvent pas être expliqués par les théories physiques existantes.