Během mezinárodní konference jaderných a částicových fyziků ICHEP 2020, která se konala na přelomu července a srpna, oznámil experiment ATLAS první pozorování vzácného procesu, kdy srážka dvou fotonů vede ke vzniku dvojice W bosonů. Jedním z vedoucích členů týmu, který za objevem stojí, je absolvent Matfyzu dr. Oldřich Kepka.
Měření potvrdilo jednu z hlavních predikcí teorie sjednocující elektromagnetickou a slabou sílu, a to, že nosiče těchto sil spolu přímo interagují. Výsledek otevírá nové možnosti přímého zkoumání těchto elektroslabých procesů a ukazuje nový způsob využití LHC jako srážeče fotonů.
W bosony (W+ a W-) patří mezi elementární částice, které spolu s fotonem, gluonem a Z bosonem tvoří skupinu částic zprostředkovávajících interakce. Je známo, že foton zprostředkovává elektromagnetickou interakci. W bosony a Z boson jsou pak společně odpovědné za slabou interakci. Ta hraje zásadní roli například v jádrech atomů, kde má za následek jevy, jako je beta rozpad nebo elektronový záchyt.
Produkce dvou W bosonů ve srážce dvou fotonů je jev více než osmkrát vzácnější než rozpad Higgsova bosonu na čtyři top kvarky, o kterém jsme nedávno také informovali. Pozorování takto unikátního procesu bylo možné díky nové metodě analýzy, kterou fyzici vyvinuli.
Mezinárodní tým vědců analyzoval obsáhlý soubor dat pocházející z druhého běhu urychlovače LHC. Aby mohli jev identifikovat, museli se fyzici zaměřit na dvojici elektron a mion s opačným elektrickým nábojem. Identifikace probíhala postupným skládáním získaných informací.
Například stočení trajektorie poskytlo údaj o náboji částice, průměr oblouku o příčné hybnosti a z kalorimetrů bylo možné získat údaje o energii. Postupnou identifikací všech vylétajících částic a jejich drah směrem z interakčního bodu vědci zrekonstruovali celý proces, k němuž došlo po srážce v urychlovači.
Páry W bosonů lze podstatně častěji získat ze srážek kvarků a gluonů než při srážkách fotonů, bylo proto nutné pečlivě kategorizovat jednotlivé dráhy částic a identifikovat dráhy pocházející z rozpadů W bosonů.
Měření dosáhlo vysoké statistické signifikance o hodnotě 8.4 σ. Pro představu, za objev se v LHC standardně označují měření dosahující signifikance 5 σ a výše, nové zjištění má tedy skutečně vysokou míru jistoty. Výsledek oznámili vědci na přelomu července a srpna během konference ICHEP2020, která se uskutečnila online.
„Pozorovaná párová produkce W bosonů ve srážkách dvou fotonů završuje jednu etapu našeho výzkumu. V předchozích letech jsme na četnějším procesu párové produkce leptonů ukázali, že jsme v detektoru ATLAS skutečně schopni identifikovat případy, kdy k produkci páru došlo ve srážce dvou fotonů,“ říká dr. Oldřich Kepka, jeden z hlavních autorů měření a také absolvent Matfyzu, který v současnosti působí na Fyzikálním ústavu AV ČR.
Z publikovaného měření plyne, že nositelé elektromagnetické a slabé interakce spolu interagují. Vzhledem k rozdílným povahám obou polí plynoucích z rozdílných vlastností interakčních bosonů je to zajímavý výsledek. Zároveň jde o důležitou informaci pro teoretiky, kteří se sjednocením jednotlivých interakcí (počínaje právě sjednocením elektromagnetické a slabé interakce v interakci elektroslabou a potenciálně konče až úplným sjednocením) zabývají.
Objev procesu interakce fotonu s fotonem za vzniku dvou W bosonů v sobě nese i příslib do budoucna, co se týče zkoumání těchto procesů na fotonových srážečích. Ještě zajímavější výhled pak přináší vedlejší efekt objevu, kdy došlo k upřesnění vlastností hypotetických částic značených ALP, jež se podobají axionům (axiony jsou hypotetické částice, které by měly tvořit temnou hmotu a zároveň vyřešit jeden z problémů Standardního modelu, totiž narušení CP symetrie).
Podrobnostem objevu se bude věnovat rozhovor s dr. Oldřichem Kepkou, který brzy zveřejníme na matfyz.cz.
Mohlo by vás také zajímat:
ATLAS
prezentoval důkazy o produkci čtyř top kvarků
Jak
pandemie koronaviru ztěžuje předpověď počasí
„Sonický
třesk“ pod zemí