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En tant que vecteur de la force électrofaible, le boson W joue un rôle fondamental dans la mise à l'épreuve du Modèle standard de la physique des particules. Bien que sa découverte remonte désormais à une quarantaine d'années, le boson W ne cesse de fournir aux physiciens de nouvelles pistes à explorer.
C’est en analysant l'ensemble des données enregistrées par le détecteur entre 2015 et 2018, lors de la deuxième période d'exploitation du LHC, que les scientifiques d'ATLAS sont parvenus à observer ce processus rare avec une signification statistique de 8,2 écarts-types, un résultat bien au-delà du seuil de 5 écarts-types requis pour revendiquer une observation. Ce résultat fait suite à une observation préalable de la production inclusive de trois bosons faibles, réalisée par la collaboration CMS.
Parvenir à une telle précision constitue un véritable exploit. Pour ce faire, les physiciens ont analysé près de 20 milliards de collisions enregistrées et pré-filtrées par l'expérience ATLAS pour trouver quelques centaines d'événements susceptibles de relever du processus de production des triplets de bosons W.
Le boson W, qui est l'une des particules élémentaires connues les plus lourdes, peut se désintégrer de plusieurs façons. Les scientifiques d'ATLAS ont ciblé leurs recherches sur les quatre modes de désintégration des triplets ayant le plus grand potentiel de découvertes, en raison du nombre réduit d’événements relevant du bruit de fond qui y sont associés. Dans trois de ces modes, deux des bosons W se désintègrent en leptons (électrons ou muons) possédant la même charge, positive ou négative, et en neutrinos ; le troisième boson W, quant à lui, se désintègre en une paire de quarks légers. Dans le quatrième mode, les trois bosons W se désintègrent en un lepton chargé et un neutrino.
Pour isoler le signal du triplet de bosons W des très nombreux événements relevant du bruit de fond, les chercheurs ont utilisé une technique d'apprentissage automatique appelée « Arbre de décision optimisé » (Boosted Decision Trees). Des modèles « d’arbres » peuvent être entraînés à identifier des signaux précis dans le détecteur ATLAS, afin de repérer d'infimes – mais capitales – différences entre les propriétés des événements prédits. La distinction plus marquée entre signal et bruits de fond, rendue possible grâce à cette technique, ainsi que la quantité importante de données issues de la deuxième période d'exploitation du LHC ont permis d'augmenter la précision de l'ensemble des mesures et d’observer pour la première fois la production simultanée de trois bosons W.
Grâce à ces mesures prometteuses, les scientifiques peuvent également rechercher des indices de nouvelles interactions susceptibles de survenir à un niveau d'énergie supérieur à celui disponible actuellement avec le LHC. Le processus de production simultanée de trois bosons W peut notamment leur permettre d'étudier le couplage quartique de bosons de jauge -- lorsque deux bosons W rebondissent l'un contre l'autre --, qui est l'une des propriétés majeures du Modèle standard. De nouvelles particules pourraient altérer le couplage quartique des bosons de jauge par le biais d’effets quantiques, en modifiant la section efficace de la production des triplets de bosons W. La poursuite de l'étude de ces triplets ainsi que des autres processus électrofaibles ouvre une voie pleine de promesses.
Liens (en anglais)
- Observation of WWW production in proton–proton collisions at 13 TeV with the ATLAS detector (ATLAS-CONF-2021-039)
- EPS2021 presentation by Jessica Metcalfe: Measurements of multi-boson production at ATLAS
- CMS Collaboration: Observation of the production of three massive gauge bosons at 13 TeV (arXiv: 2006.11191)