На Великому адронному колайдері в зіткненні фотонів народилися W-бозони

Експеримент ATLAS з високою точністю зареєстрував рідкісний процес зіткнення двох фотонів з народженням пари переносників слабкої взаємодії W-бозонів. Такий результат, отриманий після аналізу напрацьованих у 2015-2018 роках даних, дозволяє використовувати БАК як джерело високоенергетичних фотонів для прямого дослідження електрослабої взаємодії. Виявлений процес експериментально підтверджує передбачення електрослабої теорії і надає дослідникам нові способи вивчення цього явища. Фізики з ATLAS заявили про результат на онлайн-конференції ICHEP, звіт доступний на сайті експерименту.

У школі вчать, що два промені світла не можуть сприяти один з одним. Це вірно для класичної електродинаміки, однак Стандартна модель дає на цей рахунок зовсім інші передбачення. У рамках цієї вже класичної у фізиці елементарних частинок теорії фотони - кванти світла і переносники електромагнітної взаємодії - можуть розсіюватися один на одному, а при прямому зіткненні навіть народжувати нові частинки. Фізики на Великому адронному колайдері вже неодноразово спостерігали подібні явища. Наприклад, у 2017 році на ATLAS побачили процес взаємодії двох фотонів з народженням двох інших фотонів - ефект, який вже давно передбачили в рамках квантової електродинаміки.

Однак цього разу вчені виявили суттєво складніший процес зіткнення двох фотонів з народженням двох W-бозонів. Самі W-бозони є переносниками слабкої взаємодії - однієї з чотирьох існуючих взаємодій нарівні з електромагнітною, сильною і гравітаційною. Згідно теорії електрослабої взаємодії, що є частиною Стандартної моделі, фотони і W-бозони можуть взаємодіяти не тільки з навколишньою їх матерією, але і один з одним. Раніше ATLAS вже повідомляв про виявлення цього процесу в даних з першого сезону роботи Великого адронного колайдера, але тоді експериментаторам не вдалося досягти достатньої для підтвердження відкриття статистичної точності.

Тепер накопичені за 2015-2018 роки дані щодо протон-протонних зіткнень з енергією 13 тераелектронвольт в системі центру мас дозволили вченим правомірно заявити про підтвердження відкриття. Як і раніше, процес зіткнення двох фотонів з народженням двох W-бозонів фізики відстежували за продуктами розпаду останніх, адже самі W-бозони живуть всього близько 3 ^10-25 секунди. Дослідники шукали народжені в таких розпадах електрон і мюон з протилежними знаками. Також у цьому процесі народжуються нейтрино, проте зареєструвати їх експериментатори не можуть, а значить відновлювати присутність цих найлегших частинок доводилося за імпульсами інших продуктів розпаду. Ускладнювало відбір подій і те, що W-бозони в рази частіше народжуються у взаємодіях кварків і глюонів. Ці процеси фізики відсіювали, стежачи за треками всіх, хто бере участь у події частинок, відбираючи тільки розпади з електроном і мюоном.

В результаті фізикам вдалося домогтися статистичної точності в 8,4, далеко пішовши за необхідні для офіційного відкриття 5. Вченим також вдалося порахувати переріз спостережуваного зіткнення фотонів з народженням W-бозонів, яке склало 3,13 0,59 фемтобарн. Надалі дослідники зможуть використовувати це значення в моделюванні та вивченні таких процесів.

Важливим результатом роботи ATLAS є і те, що експериментатори підтвердили можливість використання Великого адронного колайдера як джерела зіткнень високоенергетичних фотонів. Це справді дивно, адже сильна взаємодія домінує в зіткненнях прискореної колайдером матерії. Виявлення на БАК нового способу дослідження електрослабої взаємодії може відкрити дорогу для нових досліджень з перевірки Стандартної моделі і пошуку Нової фізики, які стануть все більш реальні зі збільшенням обсягу накопичуваних даних. У цьому вченим повинен допомогти апгрейд Великого адронного коллайдера, що проходить зараз, мета якого - підвищити світність установки.

Про ще більш довгострокові плани CERN можна почитати в нашому матеріалі «100 ТЕВ на перспективу». Про інші досягнення прискорювальної фізики, представлених на конференції ICHEP-2020, що проходить зараз, ми писали в новинах про виявлення рідкісного розпаду бозона Хіггса і обмеження Нової фізики розпадом К-мезона.