Les bosons W et Z, porteurs de la force faible, sont au cœur du Modèle standard de la physique des particules. Bien que leur découverte remonte désormais à une quarantaine d'années, les bosons W et Z ne cessent d'ouvrir aux physiciens de nouvelles voies à explorer. Dans une nouvelle étude, la collaboration ATLAS a analysé l'ensemble des données obtenues lors de la deuxième période d'exploitation du Grand collisionneur de hadrons (de 2015 à 2018) à la recherche d'un processus rare dans lequel un boson Z est produit en même temps que deux autres porteurs de la force faible, ou bosons vecteurs (V), tels que les W et Z.

« La production de trois bosons vecteurs est un processus très rare au LHC, explique Fabio Cerutti, coordinateur de la physique d'ATLAS. La mesure de ce processus donne des indications sur différentes interactions entre bosons, qui sont liées aux symétries sous-jacentes du Modèle standard. C'est un outil puissant pour la découverte de nouveaux phénomènes physiques, par exemple des particules inconnues qui seraient trop lourdes pour être produites directement au LHC. »

L'équipe d'ATLAS a observé la production de VVZ avec une signification statistique de 6,4 écarts-types, soit plus que le seuil de cinq écarts-types nécessaire pour qu'il soit possible de revendiquer une observation. Ce processus n'a qu'une chance sur 100 milliards de se produire et il est difficile de l'isoler d’autres processus qui produisent des signatures similaires. L'observation prolonge des résultats obtenus précédemment par les collaborations ATLAS et CMS, notamment l'observation de la production de VVV par CMS et l'observation de la production de WWW par ATLAS.

Les bosons W et Z, qui comptent parmi les particules connues les plus lourdes, peuvent se désintégrer d'une multitude de façons différentes. Dans la nouvelle étude d'ATLAS, les physiciens se sont concentrés sur sept « canaux de désintégration » présentant le plus grand potentiel de découverte. L'analyse des canaux a été affinée à l'aide d'une technique d'apprentissage automatique dite des arbres de décision optimisés, avec des algorithmes entraînés pour chaque canal à identifier le signal recherché. Cette observation menée à bien est le résultat d'un travail méticuleux de l'équipe d'analyse, en particulier compte tenu de la complexité des chaînes de désintégration.

En combinant les canaux de désintégration, les chercheurs d'ATLAS ont pu observer la production de VVZ et fixer des limites aux éventuelles contributions au signal de phénomènes relevant de la nouvelle physique. Les limites obtenues confirment la validité du Modèle standard et concordent avec les résultats précédents sur la production de trois bosons vecteurs.

Grâce à l'analyse des ensembles de données plus vastes provenant de la troisième période d'exploitation du LHC, puis, ultérieurement, du HL-LHC, il sera possible d'affiner les mesures relatives à la production de trois bosons vecteurs. Ces mesures nous donneront une meilleure compréhension de ces particules fondamentales et de leur rôle dans l'Univers.

Pour en savoir plus, voir le site web de l’expérience ATLAS (en anglais).