Teilnehmer des ATLAS-Experiments am Large Hadron Collider berichteten von der experimentellen Entdeckung der gleichzeitigen Produktion von drei W-Bosonen bei Proton-Proton-Kollisionen. Die statistische Genauigkeit des Ergebnisses erreichte 8, 2σ und übertraf damit die für die Entdeckung erforderlichen 5σ. Zuvor wurde dieser Prozess sowohl am ATLAS als auch im CMS-Experiment bereits beobachtet, aber die statistische Genauigkeit der damals erhaltenen Ergebnisse überstieg 3,3σ nicht. Die Untersuchung solch seltener Prozesse wird es Wissenschaftlern ermöglichen, die Stärke der bestehenden Vorhersagen des Standardmodells zu testen. ATLAS-Teilnehmer sprachen über die Eröffnung auf der aktuellen EPS-HEP 2021-Konferenz, und ein ausführlicher Bericht wurde auf der Website des Experiments veröffentlicht.
Das W-Boson ist eines der schwersten Elementarteilchen im Standardmodell. Dieses Eichboson und sein "Partner" in der SU (2)-Gruppe, das Z-Boson, sind Träger schwacher Wechselwirkungen: verschiedene Teilchen tauschen sie bei schwachen Prozessen aus. Das W-Boson selbst wurde vor fast 40 Jahren entdeckt und bereits 1967 eine theoretische Konstruktion entwickelt, die seine Existenz vorhersagt. Dennoch wird dieses Boson bis heute im Detail untersucht: Dieses Elementarteilchen kann an extrem seltenen Prozessen teilnehmen, bei denen Forscher auf Spuren der Neuen Physik hoffen.
Einer dieser seltenen Prozesse unter Beteiligung des W-Bosons ist die gleichzeitige Produktion von drei solcher Teilchen. Die Quantenchromodynamik sagt voraus, dass durch die Emission jedes der Bosonen durch ein Fermion, durch die Geburt eines Zwischenbosons (zum Beispiel das Z-Boson oder das Higgs-Boson) mit seinem Zerfall in zwei Vektorbosonen gleichzeitig drei Vektorbosonen erzeugt werden können, und auch durch die gleichzeitige Produktion von drei Vektorbosonen aus intermediären Vektorbosonen. Solche Prozesse der gleichzeitigen Produktion von drei Bosonen sind für Physiker besonders interessant, weil sich damit die Stärke der Wechselwirkung von drei und vier Eichbosonen gleichzeitig abschätzen lässt. Nach bestehenden Vorhersagen ist dieser Parameter besonders empfindlich für noch nicht entdeckte Teilchen und andere Erscheinungsformen der Physik außerhalb des Standardmodells, die sonst bei den Physikern verfügbaren Energien nicht wahrgenommen werden können.
Feynman-Diagramme für Prozesse der gleichzeitigen Produktion von drei W-Bosonen.
Für die weitere Forschung müssen Wissenschaftler jedoch lernen, solche seltenen Prozesse mit ausreichender statistischer Genauigkeit zu registrieren. Genau das ist den Teilnehmern des ATLAS-Experiments am Large Hadron Collider gelungen: Physiker konnten die Existenz von Ereignissen bei der gleichzeitigen Produktion von drei W-Bosonen mit einer statistischen Genauigkeit von 8, 2σ im Datensatz zum Proton bestätigen -Protonenkollisionen. Eine solch hohe Genauigkeit (5σ reicht für eine Entdeckung) lässt uns mit Sicherheit sagen, dass dieses Ergebnis kein Zufall ist und dass solche Ereignisse regelmäßig (wenn auch sehr selten) am LHC auftreten. Zuvor hatten Wissenschaftler bereits Spuren der gleichzeitigen Produktion von drei W-Bosonen gefunden, aber dann hatten die Forscher nicht genug statistische Genauigkeit für die Entdeckung: Auf ATLAS waren es 3,2σ, und das CMS-Experiment zählte 3, 3σ. Mit mehr Daten und einem verbesserten Suchalgorithmus für die gewünschten Ereignisse ist es nun möglich, vergangene Beobachtungen zu bestätigen und zu verstärken.
Im Rahmen ihrer Arbeit verarbeiteten Physiker Daten von etwa 20 Milliarden Kollisionen, die sich während der ersten beiden Sitzungen des LHC angesammelt hatten. Die erzeugten W-Bosonen wurden anhand ihrer Zerfallsprodukte registriert. In erster Näherung können drei W-Bosonen durch zwei Hauptkanäle zerfallen: in zwei Leptonen einer Ladung, zwei Neutrinos und zwei Quarks oder in drei Leptonen einer Ladung und drei Neutrinos (in beiden Fällen kann jedes der Leptonen entweder ein Elektron oder ein Myon). Im ersten Fall wird das Ergebnis des Zerfalls die Registrierung von zwei Leptonen derselben Ladung mit einem Verlust an Transversalimpuls (aufgrund von Neutrinos) sowie von zwei Jets sein. Im zweiten Fall werden dagegen nur drei Leptonen ohne Jets, aber immer noch mit Transversalimpulsverlust beobachtet.
Um im allgemeinen Datensatz nach solchen Ereignissen zu suchen, verwendeten die Wissenschaftler zudem einen Machine-Learning-Algorithmus, der entsprechend der charakteristischen Beschränkungen der Energie und Bewegungsrichtung von Zerfallsprodukten die gesuchten Ereignisse vom Hintergrund trennte. Als Kalibrierung des Algorithmus haben wir Ereignisse mit Zerfällen eines Paares von W-Bosonen und Z-Bosonen in Leptonen mit null, einem oder zwei Jets verwendet. Als Folge von Hintergrundereignissen in allen Zerfallskanälen gab es ein Vielfaches von Ereignissen mit der angestrebten gleichzeitigen Produktion von drei W-Bosonen. Trotzdem konnten die Wissenschaftler fast dreihundert gewünschte Ereignisse auswählen und den gesamten Wirkungsquerschnitt des untersuchten Prozesses messen: Es stellte sich heraus, dass es sich um 850 ± 180 Femtobarns handelte.
Die Anzahl der ausgewählten Ereignisse, die die Anforderungen für Zerfallsprodukte von drei W-Bosonen in zwei Leptonen (linke drei Bins) und drei Leptonen (zentrale Bin) erfüllen, sowie für Kontrollereignisse des Zerfalls eines Paares von W-Bosonen und Z-Bosonen (rechts drei Behälter). Die gewünschten Ereignisse sind gelb markiert.
Das W-Boson ist mit seiner Beteiligung nicht nur für seltene Prozesse interessant: Wissenschaftler haben kürzlich seinen Zerfall genutzt, um die Leptonen-Universalität des Standardmodells zu testen. Auch die Eigenschaften des W-Bosons selbst werden weiter untersucht und verfeinert: Wir haben über eine besonders genaue Messung der Masse dieses Bosons geschrieben, die auch im ATLAS-Experiment durchgeführt wurde.
