En quête d’une nouvelle physique grâce à la production de multibosons

Événement candidat de CMS dans lequel deux bosons W et un boson Z sont produits et se désintègrent en trois électrons et un muon. (Image: CERN)

Les collaborations ATLAS et CMS ont présenté de nouveaux résultats relatifs à un processus physique appelé « diffusion de bosons massifs »

CERN: Press Releases

Ce communiqué de presse fait partie d'une série liée à la conférence de 2020 de la conférence sur la physique auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC), qui s’est tenue du 25 au 30 mai 2020. Initialement prévue à Paris, la conférence a eu lieu entièrement en ligne en raison de la pandémie de COVID-19.

Lors de la conférence LHCP de cette année, les collaborations ATLAS et CMS ont présenté de nouveaux résultats relatifs à un processus physique appelé « diffusion de bosons massifs ». CMS a également fait état de la première observation du phénomène de production de tribosons massifs. L'étude de ces processus pour tester le modèle standard est importante car elle pourrait mettre en lumière une nouvelle physique.

Lors des collisions de protons au LHC, de nombreuses particules sont produites, dont les porteurs de la force électrofaible - les photons et les bosons W et Z. Ces bosons sont souvent simplement appelés bosons vecteurs dans le modèle standard. L'un des processus qui conduit à la production des paires est appelé diffusion de bosons massifs.

Les processus liés aux bosons vecteurs sont une excellente sonde pour rechercher des écarts par rapport aux prédictions théoriques. Deux processus rares qui présentent un intérêt particulier puisqu'ils sondent les auto-interactions de quatre bosons vecteurs sont la production de dibosons par diffusion de bosons vecteurs et la production de tribosons. L'observation et la mesure de ces processus sont importantes car elles permettent de tester le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible, par lequel la force électrofaible unifiée se sépare en forces électromagnétique et faible dans le modèle standard, et sont complémentaires aux mesures de la production et de la désintégration du boson de Higgs.

Dans un processus de diffusion de boson vecteur, un boson vecteur rayonne à partir d'un quark de chaque proton et ces bosons vecteurs peuvent rebondir l'un contre l'autre pour produire un état final de diboson. La production de tribosons fait elle référence à la production de trois bosons vecteurs massifs.

Lors de la conférence du LHCP, les physiciens des collaborations ATLAS et CMS ont présenté de nouvelles recherches sur la production de paires de bosons Z via la production électrofaible incluant le mécanisme de diffusion du boson vecteur. ATLAS a observé ce processus à 5,5 sigmas et CMS a apporté des indices probants. CMS a également annoncé la première observation d'un boson W produit en association avec un photon par le processus de diffusion du boson vecteur, ainsi que des mesures plus précises de la production de WW de même signe, et qu’une observation de la production, par diffusion du boson vecteur, d'un boson W et d'un boson Z, complétant les observations précédemment réalisées par ATLAS.

Une autre façon de sonder l'interaction à quatre bosons est d'étudier la production très rare de trois bosons massifs ou tribosons. En avril dernier, l'expérience CMS a publié un résultat à 5,7 sigmas du phénomène des tribosons, l'établissant comme une observation solide, suite aux premiers indices de ce processus observés par l'expérience ATLAS l'année dernière.

La plupart des processus physiques des particules fondamentales impliquent deux ou plusieurs particules individuelles qui interagissent entre elles via une particule intermédiaire qui est émise ou absorbée dans le processus.

Évènement candidat d’ATLAS dans lequel deux bosons Z sont produits, ainsi que deux jets. Les bosons Z se désintègrent ensuite en deux électrons et deux muons. (Image: CERN)

"Plus il y a de bosons produits, plus l'événement est rare. Cette nouvelle observation des tribosons a été très difficile car il s'agit d'un processus beaucoup plus rare que celui qui a conduit à la découverte du boson de Higgs, et très intéressante car elle peut révéler des signes de nouvelles particules et d'interactions anormales", explique Roberto Carlin, porte-parole de la CMS.

Dans les processus de diffusion du triboson et du boson vecteur, les bosons W et Z peuvent interagir entre eux pour créer plus de particules W et Z, produisant ainsi deux ou trois bosons. W et Z étant des particules très instables, elles se décomposent rapidement en leptons (électrons, muons, taus et leurs neutrinos correspondants) ou en quarks. Mais de tels processus sont extrêmement rares et les événements de dibosons et de tribosons que les physiciens recherchent sont aussi produits par des processus de bruit de fond, ce qui les rend encore plus difficiles à analyser pour les physiciens.

"Pour séparer le signal du bruit de fond, les physiciens doivent être ingénieux et utiliser des algorithmes avancés d'apprentissage automatique. C'est une tâche difficile pour des processus aussi rares, et cela nécessite des études méticuleuses et approfondies", explique Karl Jakobs, porte-parole d'ATLAS.

Les mesures de la diffusion de bosons massifs et de la production de tribosons présentées au LHCP 2020 sont conformes aux prédictions du modèle standard, qui reste notre meilleure compréhension des particules fondamentales et de leurs interactions. Les observations ci-dessus fournissent également aux physiciens des outils pour sonder l'auto-interaction quartique entre les bosons électrofaibles massifs. Les mesures dont il est question limitent la force de ces interactions quartiques et la précision accrue obtenue grâce à l'utilisation de nouveaux ensembles de données pourrait ouvrir des horizons pour une nouvelle physique à des échelles d'énergie plus élevées dans le LHC et conduire à la découverte éventuelle de nouvelles particules.

www.cern.ch