O Modelo Padrão, a teoria existente mais exaustiva que descreve as interações de partículas fundamentais, prevê a existência do que é conhecido como interações triboson. Essas interações são processos nos quais bósons de calibre três são produzidos simultaneamente a partir de um evento Grande Colisor de Hádrons.
As interações dos tribosons são incrivelmente raras, muitas vezes até centenas de vezes mais raras do que os eventos do bóson de Higgs, já que normalmente ocorrem uma vez a cada 100 bilhões de colisões próton-próton. Embora o modelo padrão preveja sua existência, os físicos até agora não foram capazes de observá-los experimentalmente.
O CMS Collaboration, um grande grupo de pesquisadores de vários institutos de física em todo o mundo, observou recentemente pela primeira vez a produção de três bósons de calibre massivos em colisões próton-próton. Seu artigo, publicado na Physical Review Letters, oferece a primeira evidência experimental da existência de interações triboson, abrindo novas possibilidades para o estudo das interações entre bósons de calibre massivos fundamentais, ou seja, os bósons W ±, Z e Higgs.
“A raridade e a novidade das interações triboson foram a principal força orientadora por trás de nossa decisão de embarcar em uma busca por esses eventos”, disse Saptaparna Bhattacharya, pós-doutorado associado da Northwestern University e distinto pesquisador do LHC Physics Center no Fermilab. Phys.org. “Nossa conquista é o culminar de tentativas anteriores de buscar esses processos pelas colaborações ATLAS e CMS em energias de centro de massa de 8 e 13 TeV.”
O experimento CMS é um esforço de pesquisa em andamento com base no uso de um detector de uso geral no LHC (ou seja, o Compact Muon Solenóide ou CMS). Nos últimos anos, Bhattacharya e o resto da Colaboração CMS usaram este detector para coletar dados relacionados às interações de partículas, o que poderia auxiliar na busca por matéria escura e facilitar a descoberta de novas físicas.
Em seu estudo recente, os pesquisadores examinaram um grande conjunto de dados compilado usando o detector entre 2016 e 2018, quando perceberam que as interações triboson estão se tornando mais acessíveis e têm taxas de eventos grandes o suficiente para serem discernidas dos sinais de fundo. Eles então começaram a procurar tribosons ou VVV (ou seja, onde V = W +, W-, Z bósons) e estabeleceram a existência de interatores triboson em 5,7 desvios padrão, o que implica que a probabilidade de a observação ser uma flutuação do fundo é um em 106, ou um em 1 milhão.
“Enquanto a maioria dos modos de decaimento do triboson envolvem jatos hadrônicos, um subconjunto de eventos que dá origem aos elétrons e múons (conhecidos coletivamente como leptons) leva a assinaturas distintas no detector”, explicou Bhattacharya. “O detector CMS é o instrumento mais conhecido para detectar léptons e aproveitamos esse recurso para isolar os eventos raros de VVV de processos de fundo.”
A probabilidade de que bósons grandes sejam produzidos em colisões próton-próton é maior em um centro de energia de massa de 13 TeV, em comparação com energias de centro de massa mais baixas avaliadas em estudos anteriores. Usando os requisitos de seleção de sinal ideal, os pesquisadores foram, portanto, capazes de isolar o raro processo triboson de sinais de fundo no conjunto de dados CMS 2016-2018.
“A presença dos bósons W ± e Z produzidos em colisões próton-próton pode ser inferida pela detecção de seus produtos de decaimento”, disse Philip Chang, pesquisador de pós-doutorado da Universidade da Califórnia em San Diego e parte do CMS Collaboration, ao Phys.org . “Um dos sinais mais claros de sua presença é a detecção de elétrons e múons de alto momentum. Como o processo que queríamos detectar envolve três bósons de calibre massivo, vários elétrons e múons devem estar presentes enquanto o evento ocorre, enquanto em outro contexto eventos que não produzem vários bósons de calibre massivo, o número de elétrons e múons é baixo. Assim, procuramos eventos de colisão próton-próton com vários elétrons e múons para observar o processo de sinal muito raro de eventos de fundo. ”
Nos dados que analisaram, Bhattacharya, Chang e o resto da Colaboração CMS identificaram claramente a produção de três bósons de calibre massivos em uma colisão próton-próton. Suas descobertas são uma contribuição significativa para o campo da física de partículas, pois introduzem novas possibilidades para estudar as interações entre bósons de calibre massivo. No futuro, este estudo pode ajudar a melhorar a compreensão atual de diferentes tipos de bósons grandes, incluindo o bóson de Higgs recentemente descoberto.
“A observação da produção de três bósons de calibre pesado em uma colisão do LHC constitui um marco importante na física do LHC”, explicou Bhattacharya. “No início, éramos céticos sobre a descoberta desses processos em um estágio tão inicial do programa do LHC. Essa descoberta lança luz sobre a interação fundamental entre os bósons de calibre e abre uma nova janela para os detalhes intrincados do modelo padrão.”
A Colaboração CMS agora planeja conduzir mais estudos explorando o processo detectado, bem como expandir sua análise para também pesquisar eventos com decaimentos de bóson W ± e Z para quarks e neutrinos. Isso permitirá que eles testem a validade do Modelo Padrão ainda mais e, potencialmente, desvendem novos fenômenos físicos que não podem ser explicados pelas teorias da física existentes.
“Atualmente, estamos estudando em detalhes as interações do triboson, tendo estabelecido sua existência”, disse Chang. “Um dos principais objetivos de nosso próximo artigo será examinar os processos triboson recém-descobertos e procurar sinais reveladores da física além do que é previsto pelo Modelo Padrão.”
Publicado em 10/12/2020 08h59
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