I fisici hanno osservato per la prima volta la creazione di tre bosoni nelle collisioni protone-protone
Il Modello Standard, la più completa delle teorie esistenti che descrivono le interazioni delle particelle fondamentali, prevede l'esistenza delle cosiddette interazioni dei tre bosoni. Queste interazioni sono processi in cui vengono prodotti simultaneamente tre tipi di bosoni come risultato di un singolo evento al Large Hadron Collider.
Le interazioni a tre bosoni sono incredibilmente rare, spesso centinaia di volte meno comuni degli eventi del bosone di Higgs, poiché di solito si verificano una volta ogni 100 miliardi di collisioni protone-protone. Sebbene il modello standard preveda la loro esistenza, i fisici non sono ancora stati in grado di osservarli sperimentalmente.
La collaborazione CMS, un folto gruppo di ricercatori di molti istituti di fisica in tutto il mondo, ha recentemente osservato per la prima volta la formazione di tre bosoni di gauge massivi in collisioni protone-protone (i bosoni di gauge sono bosoni che agiscono come portatori di interazioni fondamentali).
Il loro articolo, pubblicato su Physical Review Letters, offre la prima prova sperimentale dell'esistenza di interazioni tra tre bosoni, aprendo nuove possibilità per lo studio delle interazioni tra bosoni di gauge massivi fondamentali, vale a dire il bosone W ±, Z e il bosone di Higgs.
"La rarità e la novità delle interazioni a tre bosoni è stata la principale forza trainante dietro la nostra decisione di iniziare a cercare questi eventi", ha detto Saptaparna Bhattacharya, ricercatrice presso il Centro di fisica LHC in Fermilab. "Il nostro risultato è il culmine di precedenti tentativi di ricerca di questi processi, intrapresi sia da ATLAS che da CMS a energie di 8 e 13 TeV".
L'esperimento CMS è uno studio in corso basato sull'uso di un rilevatore generico presso l'LHC (ad esempio, un solenoide muonico compatto o CMS). Negli ultimi anni, i membri della collaborazione CMS hanno utilizzato questo rilevatore per raccogliere dati relativi alle interazioni tra particelle che potrebbero aiutare la ricerca di materia oscura e facilitare la scoperta di nuova fisica.
Nel loro recente studio, i fisici hanno esaminato l'ampio set di dati raccolti dal rilevatore tra il 2016 e il 2018 quando si sono resi conto che le interazioni triboson stavano diventando più prontamente disponibili e avevano un tasso di eventi abbastanza alto da essere distinto dai segnali di fondo.
Quindi hanno iniziato a cercare tribosoni o VVV (dove V = W +, W-, Z-bosoni) e hanno stabilito l'esistenza di interazioni a tre bosoni a 5,7 deviazioni standard, il che significa che la probabilità di osservazione è 1 su 106 di fondo fluttuazione, o una possibilità su un milione.
"Osservare la formazione di tre bosoni di scartamento pesante in una singola collisione è una pietra miliare importante nella fisica dell'LHC", ha spiegato Saptaparna Bhattacharya. “All'inizio eravamo scettici riguardo al rilevamento di questi processi in una fase così precoce del programma LHC. Questa scoperta fa luce sulle interazioni fondamentali tra i bosoni di gauge e apre una nuova finestra sugli intricati dettagli del Modello Standard. "
La collaborazione CMS prevede ora di condurre ulteriori ricerche per studiare il processo che hanno scoperto, nonché di espandere la sua analisi per cercare anche eventi con decadimenti di bosoni W ± e Z in quark e neutrini.
Ciò consentirà loro di verificare ulteriormente la correttezza del Modello Standard e potenzialmente rivelare nuovi fenomeni fisici che non possono essere spiegati dalle teorie fisiche esistenti.