Un rezultat de excepţie a fost obţinut recent de către colaborarea CMS de la marele accelerator LHC de la Geneva: pentru prima dată au fost măsuraţi împreună trei bosoni masivi în coliziuni de mare energie proton-proton.

În cadrul Modelului Standard al fizicii particulelor elementare pe lângă particulele de materie, precum cuarcii care compun protonii şi neutronii, electronii şi neutrinii, există şi aşa-numiţii „purtători ai interacţiunilor”, adică particule care mediază interacţiunile între particulele de materie. Printre aceste particule se numără fotonii, care sunt cei care mediază interacţiunea electromagnetică, gluonii, responsabili pentru interacţiunea puternică tare, şi bosonii intermediari grei, aşa-numitele particule W şi Z, care au de-a face cu interacţiunea nucleară slabă. Studiul acestor intermediari ai interacţiunilor este extrem de important întrucât ne ajută să înţelegem care sunt legile care guvernează Universul.

Recent, în urma analizei datelor obţinute între anii 2016 şi 2018, colaborarea CMS de la marele accelerator LHC, cel cu circumferinţa de circa 27 km, a reuşit pentru prima dată măsurarea unor procese extrem de rare în cadrul cărora se produc împreună trei bosoni intermediari grei (adică W şi/sau Z).

Rezultatele au fost prezentate într-un articol publicat recent în Physical Review Letters şi au stârnit mult interes.

Producerea a trei bosoni de acest tip este un proces de câteva sute de ori mai rar decât cel în urma căruia se naşte faimosul boson Higgs! Chiar dacă Modelul Standard prevedea existenţa acestor tipuri de procese, până la publicarea acestui rezultat nimeni nu a reuşit să măsoare acest fenomen.

Bosonii W şi Z fiind masivi, adică având o masă destul de mare (în jur de 80-90 GeV – adică cam cât 100 de protoni) au o viaţă foarte scurtă – deci experimentul nu a măsurat în mod direct bosonii ci particulele care iar naştere din dezintegrările acestora.

Bosonii se dezintegrează dând naştere unor jeturi de particule – o mare parte sunt jeturi de hadroni, adică care conţin particule compuse din cuarci; o parte însă se dezintegrează dând naştere la electroni şi muoni (adică leptoni) de mare energie. Experimentul CMS este specializat în măsurarea leptonilor, fiind în stare să măsoare procese care provin din dezintegrări de trei bosoni grei. Practic cercetătorii au identificat procesele în care se produc leptoni de mare energie izolându-le de alte procese care la rândul lor au mai mulţi leptoni însă cu energii mai mici – care nu provin din dezintegrări de bosoni.

Semnificaţia statistică a rezultatului este de circa 5.7 sigma - ceea ce înseamnă că probabilitatea ca acest rezultat să nu corespundă dezintegrării a trei bosoni este una la un milion.

La ce este important acest studiu? Rezultatele obţinute ajută la studiul modului în care interacţionează între ei bosonii – adică mediatorii interacţiunilor. Acest lucru la rândul lui ajută la înţelegerea mai profundă a Modelului Standard şi eventual ar putea identifica semnale ale unei noi fizici. Adică dacă ceea ce se măsoară nu este în acord cu previziunile teoriei acest lucru ar putea fi datorat, de exemplu, unei noi particule care nu-şi are locul în Modelul Standard. Acest gen de particule sunt oarecum prevăzute de existenţa materiei întunecate – care ar fi justificată tocmai prin existenţa unor noi tipuri de particule. Acestea ar putea interveni în procesele pe care le studiem şi, nefiind noi capabili în Modelul Standard să le calculăm, modifică rezultatele pe care le aşteptăm. Deci dacă de exemplu am vedea mai multe procese cu trei bosoni decât cele pe care le putem calcula ar fi un posibil semnal al unei noi fizici.

Din acest motiv studii de acest gen sunt foarte utile şi importante: pe de o parte măsoară procese extrem de rare, pe de alta ne ajută să optimizăm metodele de studiu şi instrumentele pe care le avem la dispoziţie în dificila căutare a modelului care într-o bună zi va înlocui actualul Model Standard.

[Articol scris de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesor la Colegiului Naţional “Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe]