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La production simultanée de deux bosons W ou Z (production de « dibosons ») permet d'étudier les interactions fondamentales entre bosons. Ces processus rares n'ont pas encore été entièrement étudiés par rapport aux prédictions du Modèle standard. L'étude de la polarisation des bosons pourrait révéler des effets relevant d'une nouvelle physique. Alors que la polarisation des bosons W et Z pris isolément est étudiée depuis l'époque du Grand collisionneur électron-positon (LEP), prédécesseur du LHC, on n'a jamais observé la production simultanée de deux de ces bosons avec une polarisation longitudinale. Grâce à l'abondance de données recueillies pendant la deuxième période d'exploitation du LHC et à des méthodes d'analyse innovantes, les équipes d'ATLAS peuvent désormais étudier les états de polarisation combinée des événements comportant une production de dibosons.
Dans une nouvelle étude présentée à la conférence ICHEP 2022, les équipes d'ATLAS ont pu observer des événements présentant un boson W et un boson Z simultanément polarisés longitudinalement, ce qui constitue une première. Pour obtenir ce résultat, les équipes ont identifié des événements contenant à la fois un boson W et un boson Z. Elles se sont concentrées sur les événements pour lesquels les bosons se désintègrent en des particules appelées leptons, qui sont ceux qui laissent la signature la plus claire dans le détecteur ATLAS. La polarisation des bosons initiaux dans ce type d'événements WZ se manifeste par des caractéristiques angulaires qui présentent des distributions très différentes selon les états de polarisation.
Cependant, les quatre états de polarisation possibles pour les associations WZ, à savoir longitudinale-longitudinale, longitudinale-transversale, transversale-longitudinale et transversale-transversale, n'ont pas la même probabilité. Les événements les plus intéressants, dans lesquels les deux bosons présentent une polarisation longitudinale, sont bien cachés : ils ne représentent qu'environ 7 % de l'ensemble des événements WZ, soit 1 200 événements sur les 17 100 événements WZ étudiés par ATLAS.
Pour surmonter certaines difficultés expérimentales, les équipes ont développé des algorithmes d'apprentissage automatique qui extraient les fractions des quatre types d'événements selon la polarisation combinée, avec une incertitude relative d'environ 20%. Il est apparu que les prédictions du Modèle standard pour ces fractions se trouvent dans les limites de l'intervalle de confiance des mesures, ce qui signifie que les données expérimentales ne sont pas en conflit avec la théorie. Les équipes ont également constaté que le produit des deux fractions de polarisation longitudinale (bosons pris isolément) est inférieur d'environ 50 % à celui de la fraction à polarisation combinée longitudinale-longitudinale. C'est là une mesure directe du rôle joué par les corrélations entre les deux bosons, et cela démontre que les deux polarisations de bosons pris isolément ne sont pas indépendantes.
Le résultat éclaire certaines des structures les plus fondamentales du Modèle standard. De plus, la possibilité des mesures de polarisation combinée ouvre de nouvelles perspectives pour rechercher de nouveaux phénomènes de physique, ciblant des processus plus spécifiques (et plus rares). S'appuyant sur les techniques nouvelles développées ici, les physiciens peuvent désormais envisager une mesure encore plus complexe, celle de la polarisation combinée dans la diffusion de deux bosons à polarisation longitudinale.
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Pour en savoir plus, voir le site web de l’expérience ATLAS (en anglais ).