Im Standardmodell der Teilchenphysik verleiht der Brout-Englert-Higgs-Mechanismus Elementarteilchen Masse. Während Physiker direkte Untersuchungen des Higgs-Bosons durchführen, um diesen Mechanismus zu testen, können auch Sonden anderer Teilchen mit Masse Einblicke geben. Beispielsweise erhalten die W- und Z-Bosonen – die Träger der schwachen Kraft – ihre Masse vom Higgs-Mechanismus. Dies wirkt sich auf ihre Polarisation aus, d. h. auf den Grad, in dem ihr Quantenspin in eine bestimmte Richtung ausgerichtet ist. Die W- und Z-Bosonen haben einen Spin von 1 und können als direkte Folge ihrer Masse longitudinal polarisiert werden – mit anderen Worten, ihr Spin kann senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung orientiert sein.
Die gleichzeitige Produktion von zwei W- oder Z-Bosonen (oder „Diboson“-Produktion) ermöglicht es Physikern, grundlegende Wechselwirkungen zwischen Bosonen zu untersuchen. Diese seltenen Prozesse müssen noch vollständig anhand der Vorhersagen des Standardmodells getestet werden, und die Untersuchung der Polarisation der erzeugten Bosonen ist eine Möglichkeit, möglicherweise neue physikalische Effekte aufzudecken. Während die Polarisation von W- und Z-Bosonen seit der Ära des Large Electron-Positron (LEP) Collider, dem Vorgänger des Large Hadron Collider (LHC), separat untersucht wurde, wurden noch nie zwei solche Bosonen beobachtet, die gleichzeitig mit einer Längspolarisation erzeugt wurden . Mit der Fülle an Daten, die während Lauf 2 des LHC gesammelt wurden, und innovativen Analysemethoden sind die ATLAS-Forscher nun in der Lage, die gemeinsamen Polarisationszustände von Diboson-Produktionsereignissen zu untersuchen.
In einer neuen Studie, die auf der ICHEP 2022-Konferenz vorgestellt wurde, konnten ATLAS-Physiker zum ersten Mal Ereignisse beobachten, bei denen sowohl ein W- als auch ein Z-Boson gleichzeitig längs polarisiert waren. Um dieses Ergebnis zu erzielen, identifizierten die Forscher Ereignisse, die sowohl ein W-Boson als auch ein Z-Boson enthielten. Sie konzentrierten sich auf Ereignisse, bei denen sich die Bosonen in Teilchen namens Leptonen umwandeln oder „zerfallen“, da diese die deutlichste Signatur im ATLAS-Detektor hinterlassen. Die Polarisation der Elternbosonen in solchen WZ-Ereignissen manifestiert sich in Winkelobservablen, die sehr unterschiedliche Verteilungen für verschiedene Polarisationszustände aufweisen.
Allerdings sind nicht alle der vier möglichen Polarisationszustände des WZ-Gelenks – längs-längs, längs-quer, quer-längs und quer-quer – gleich wahrscheinlich. Die interessantesten Ereignisse, bei denen beide Bosonen eine Längspolarisation aufweisen, sind gut versteckt – sie stellen nur etwa 7 % aller WZ-Ereignisse dar, was nur 1.200 der 17.100 von ATLAS untersuchten WZ-Ereignisse entspricht.
Um die wichtigsten experimentellen Herausforderungen zu bewältigen, entwickelten die Forscher spezielle Algorithmen für maschinelles Lernen, um die Anteile der vier Arten von Gelenkpolarisationsereignissen mit einer relativen Unsicherheit von höchstens etwa 20 % zu extrahieren. Sie fanden heraus, dass die Vorhersagen des Standardmodells für diese Fraktionen immer innerhalb des Konfidenzbereichs von 95,5 % der Messungen liegen, was bedeutet, dass es keinen signifikanten Widerspruch zur Theorie gibt. Die Forscher fanden auch heraus, dass das Produkt der beiden Einzelboson-Längspolarisationsfraktionen etwa 50 % unter der tatsächlichen Längs-Längs-Gemeinschaftspolarisationsfraktion liegt. Dies ist ein direktes Maß für die Rolle, die Korrelationen zwischen den beiden Bosonen spielen, und zeigt, dass die beiden Einzelboson-Polarisationen nicht unabhängig sind.
Dieses Ergebnis ist ein faszinierender Einblick in einige der grundlegendsten Strukturen des Standardmodells selbst. Und die Machbarkeit von gemeinsamen Polarisationsmessungen bietet neue Möglichkeiten, nach neuen physikalischen Phänomenen zu suchen, die auf spezifischere (und seltenere) Prozesse abzielen. Aufbauend auf den hier entwickelten neuartigen Techniken können sich Physiker nun die noch anspruchsvollere gemeinsame Polarisationsmessung der Streuung zweier longitudinal polarisierter Bosonen vorstellen.