13 mars 2015
Une première pour trois bosons

La collaboration ATLAS vient de rendre publics les résultats d’une recherche menée en grande partie par des physiciens du service de physique des particules de l’Irfu  sur la production simultanée de 3 bosons dans les collisions proton-proton du LHC au CERN. Les événements observés, contenant un boson W et deux photons (γ), constituent la première preuve expérimentale de l’existence du couplage WWγγ prédit par la structure mathématique de la théorie électrofaible du modèle standard de la physique des particules. Ces interactions sont intimement liées au mécanisme de Higgs qui permet de décrire ce type de couplages. Cette mesure permet également de contraindre les modèles de nouvelle physique au delà du modèle standard.

 

Dans le modèle standard de la physique des particules, l’étude des interactions entre bosons de jauge, particules médiatrices de la force électromagnétique (le photon noté γ) et de la force nucléaire faible (les bosons Z  et  W) constitue un test important de la structure fondamentale de la théorie électrofaible, pièce maitresse de ce modèle standard. La structure interne de ce modèle implique l’existence de seulement deux couplages fondamentaux à trois bosons de jauge ZWW, gWW et de quatre couplages à quatre bosons de jauge ggWW, gZWW, ZZWW et WWWW.

Non seulement ces interactions sont la manifestation directe du caractère non- commutatif de la symétrie sur laquelle la théorie est fondée mais elles sont intimement liées à la brisure spontanée de cette symétrie et au mécanisme de Higgs qui permet de décrire ces couplages.

 

 

 

L’expérience ATLAS au CERN a utilisé les données des collisions protons-protons à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV au LHC (Large Hadron Collider) pour étudier la production d’évènements avec trois bosons Wγγ(figure ci-dessus à gauche). L’état final recherché est composé d’un boson W se désintégrant en électron ou muon  et de deux photons de grande énergie transverse. D’autres coupures cinématiques permettent de réduire le bruit de fond provenant des photons rayonnés par les particules initiales ou finales mais qui ne sont pas produits par l’intermédiaire d’un boson W. Le diagramme de droite sur la figure ci-dessus montre un exemple de radiation de photons dans l’état final. Cette mesure exploite la capacité du calorimètre électromagnétique d’ATLAS, dont l’IRFU a participé à la construction et la mise au point, à distinguer les photons isolés produits de façon directe de ceux provenant des jets hadroniques.

 

La section efficace de production mesurée est de 6.1 ±1.6 fb et est compatible avec la prédiction théorique du modèle standard. Cette section efficace est 10 000 fois plus petite que la section efficace de production du boson W seul.

Cette mesure représente la première indication de la production de trois bosons de jauge Wγγ au LHC (c’est une mesure avec une signification statistique supérieure à 3σ). La figure ci-contre montre la distribution de la masse invariante des deux photons pour les 110 candidats qui ont passés les coupures dans le canal muonique. Les données (points) sont comparées à la somme des bruits de fond et du signal attendu du processus Wgg dans le modèle standard (histogrammes).

 

 

 

Ces données ont aussi été utilisées pour mettre des limites sur les déviations des couplages à quatre bosons par rapport aux prédictions du modèle standard en introduisant des couplages anormaux par rapport à ceux prédits par le modèle standard.  De tels couplages anormaux sont attendus dans des modèles théoriques de nouvelle physique au-delà du modèle standard qui prédisent l’existence de nouvelle particules lourdes se couplant au W et au photon. Dans ce type de modèles, un excès d’événements est attendu pour des grandes valeurs  de la masse invariante des deux photons. Aucun excès n’ayant été observé, l’analyse statistique permet de déterminer des limites supérieures sur la valeur de ces couplages de jauge anormaux.

 

Le groupe de l’Irfu/SPP a joué un rôle très important dans cette analyse en particulier en coordonnant le groupe de travail dans la collaboration ATLAS au CERN mais aussi dans l’écriture de la publication qui vient d’être soumise au journal Physics Review Letters (arXiv:1503.03243).

 

Contacts: Samira Hassani, Camilla Maiani, Claude Guyot

 

 

Maj : 17/03/2015 (3553)

 

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