Search for anomalous couplings in WW and WZ production with single-lepton final states in proton-proton collisions at = 13 TeV
Utilizzando 138 fb di dati di collisioni protone-protone a 13 TeV dall'esperimento CMS, questo studio vincola i accoppiamenti anomali tra triplo bosone di gauge e tra bosone vettoriale e quark attraverso un approccio di teoria di campo efficace nella produzione di WW e WZ con stati finali a singolo leptone, ottenendo i vincoli più stringenti ad oggi sui tripli accoppiamenti di gauge concentrandosi sui decadimenti adronici ad alta energia ricostruiti come jet a grande raggio.
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L'universo è costruito su un insieme di regole che i fisici chiamano Modello Standard. Questo quadro funge da tavola periodica per le particelle fondamentali che compongono tutto ciò che vediamo, dall'aria che respiriamo alle stelle sopra di noi. Esso descrive come queste particelle interagiscono attraverso forze trasportate da altre particelle, come il fotone per la luce o i bosoni W e Z per la forza nucleare debole. Per decenni, questo modello è stato incredibilmente efficace, prevedendo i risultati sperimentali con una precisione sbalorditiva. Eppure, è incompleto. Non può spiegare fenomeni come la materia oscura o il perché l'universo abbia più materia che antimateria. Gli scienziati sospettano che esistano particelle più pesanti e nascoste o nuove forze in attesa di essere scoperte, ma queste potrebbero essere troppo massicce per essere create direttamente nelle nostre attuali macchine. Invece di cercare queste particelle pesanti frontalmente, i ricercatori spesso cercano sottili increspature che esse potrebbero lasciare nel comportamento delle particelle note, molto come notare una pesante imbarcazione che passa osservando la scia che lascia sull'acqua.
Per trovare queste increspature, i fisici del Large Hadron Collider in Svizzera fanno scontrare protoni quasi alla velocità della luce. In uno studio recente, la collaborazione CMS ha analizzato i dati di questi scontri per cercare deviazioni nel modo in cui vengono prodotti accoppiamenti di bosoni W e Z. Questi bosoni sono pesanti vettori della forza debole e, quando vengono creati insieme, dovrebbero comportarsi in un modo molto specifico secondo il Modello Standard. I ricercatori si sono concentrati su un particolare scenario in cui uno di questi bosoni decade in una particella cariche, come un elettrone o un muone, e un neutrino, mentre l'altro bosone decade in una pioggia di particelle che si fondono in un unico, grande e carico ammasso di energia. Esaminando l'energia e la direzione di queste collisioni, il team ha potuto testare se le interazioni tra questi bosoni corrispondessero alle previsioni del Modello Standard o se mostrassero segni di nuova fisica.
Il team ha esaminato una vasta collezione di dati corrispondenti a 138 femtobarn inversi di collisioni, un volume di informazioni che rappresenta l'analisi più completa di questo specifico processo ad oggi. Poiché i segnali che cercavano sarebbero più visibili ad energie molto elevate, i ricercatori si sono concentrati sugli eventi più energetici, dove i bosoni si muovono così velocemente che i loro prodotti di decadimento vengono compressi insieme. In queste collisioni ad alta velocità, le particelle del secondo bosone non si disperdono in flussi separati, ma invece si fondono in un unico, grande getto (jet). Per distinguere questi rari segnali ad alta energia dal massiccio sfondo di collisioni di particelle ordinarie, il team ha impiegato uno strumento sofisticato di apprendimento automatico. Questo strumento agisce come un occhio altamente addestrato, analizzando la struttura interna dei grandi getti per determinare se siano originati dal decadimento di un bosone W o Z o da un comune processo di fondo.
Dopo aver filtrato attentamente i dati e rimosso gli eventi che erano probabilmente causati da noti processi di fondo, come la produzione di quark top, i ricercatori hanno confrontato le loro osservazioni con le previsioni del Modello Standard. Hanno scoperto che il numero di eventi e la loro distribuzione di energia corrispondevano quasi perfettamente alle previsioni del Modello Standard. Non c'è stata alcuna evidenza delle strane deviazioni che indicherebbero la presenza di nuove particelle pesanti o forze modificate. Questo risultato permette agli scienziati di porre limiti rigorosi su quanto il comportamento di questi bosoni possa differire dalla teoria stabilita. Hanno calcolato che, se la nuova fisica esiste in quest'area, i suoi effetti devono essere incredibilmente piccoli, confinati a scale di energia ben oltre ciò che l'attuale collisore può raggiungere direttamente.
Lo studio ha anche testato un quadro matematico specifico noto come teoria dei campi effettivi, che permette agli scienziati di descrivere l'influenza potenziale di particelle pesanti sconosciute senza la necessità di sapere esattamente cosa siano tali particelle. Analizzando i dati attraverso questa lente, i ricercatori hanno ristretto i possibili valori dei parametri che descriverebbero queste ipotetiche nuove interazioni. I limiti che hanno stabilito sono i più stringenti ad oggi per certi tipi di interazioni tra i bosoni W e Z, escludendo efficacemente una vasta gamma di modelli teorici che prevedevano deviazioni maggiori. Mentre la ricerca della nuova fisica continua, questo lavoro conferma che il Modello Standard rimane robusto anche sotto le condizioni estreme di collisioni ad alta energia, restringendo la strada per scoperte future dicendo agli scienziati esattamente dove non guardare.
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