To się zdarza raz na bilion zderzeń. W LHC zaobserwowano produkcję tWZ
Jeszcze przed dwoma laty, w maju 2023 roku, naukowcy z eksperymentu CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów pisali, że produkcja tWZ ma ma bardzo niski przekrój czynny, co oznacza, że jest wysoce nieprawdopodobne, by można było zaobserwować ten proces podczas zderzeń protonów w LHC. Przekrój czynny procesu tWZ wynosi około 0,14 pb, podczas gdy całkowity niesprężysty przekrój czynny zderzeń proton-proton wynosi około 100 000 000 000 pb. Teraz ten sam zespół poinformował o zaobserwowaniu produkcji tWZ w Wielkim Zderzaczu Hadronów.
Produkcja tWZ oznacza pojawienie się w wyniku zderzeń protonów pojedynczego kwarka t (kwarka wysokiego) wraz z pojedynczym bozonem W i bozonem Z. O tym, jak rzadki to proces, mówi cytat z pierwszego akapitu. Całkowity przekrój czynny (czyli wszystkie procesy, w których ma miejsce wymiana energii czy powstanie nowych cząstek) zderzeń proton-proton wynosi 100 miliardów pb. Skoro zaś przekrój czynny produkcji tWZ wynosi 0,14 pb, łatwo obliczyć, że do zjawiska tego dochodzi raz na bilion zderzeń. To pokazuje nie tylko, jak rzadki to proces, ale jak trudno jest go wykryć. A mimo to się udało.
Zarejestrowanie produkcji tWZ otwiera przed fizykami nowe możliwości w badaniu podstawowych sił natury. Badając to zjawisko uczeni będą mogli lepiej dowiedzieć się, w jaki sposób kwark t wchodzi w interakcje z oddziaływaniami elektrosłabymi, których nośnikami są bozony W i Z. Ponadto kwark t jest najcięższą cząstką elementarną, co oznacza, że wchodzi z najsilniejsze interakcje z polem Higgsa. Badanie tWZ powinno zatem pozwolić na lepsze zrozumienie mechanizmu Higgsa, procesu nadawania cząstkom masy przez pole Higgsa.
Badania nie będą jednak łatwe. Produkcja tWZ to jeden z najrzadszych procesów zachodzących w LHC. Jest on też wyjątkowo trudny do analizowania, chociażby z powodu jego dużego podobieństwa do produkcji ttZ, kiedy to powstaje kwark t, antykwark t i bozon Z. ttZ ma miejsce 7-krotnie częściej niż tWZ, a zatem mamy tutaj do czynienia ze sporym szumem tła, dodatkowo maskującym niezwykle rzadki proces.
Naukowcy wykorzystali zaawansowany mechanizm maszynowego uczenia się, który był w stanie odróżnić tWZ do szumu tła. Okazało się, że proces ten przebiega nieco częściej, niż przewiduje teoria. Przyszłe analizy powinny dać odpowiedź na pytanie, czy mamy tu do czynienia jedynie z fluktuacją statystyczną, czy też wskazuje to na istnienie nieznanego zjawiska fizycznego. Jeśli mamy tutaj nieznany rodzaj interakcji lub nieznaną cząstkę, różnica pomiędzy obserwacjami a przewidywaniami powinna stawać się większa wraz z rosnącą energią cząstek, mówi Roman Kogler z Niemieckiego Synchrotronu Elektronowego (DESY), który pracuje przy CMS.
Komentarze (0)