Эксперимент ATLAS с высокой точностью зарегистрировал редкий процесс столкновения двух фотонов с рождением пары переносчиков слабого взаимодействия W-бозонов. Такой результат, полученный после анализа наработанных в 2015–2018 годах данных, позволяет использовать БАК как источник высокоэнергетических фотонов для прямого исследования электрослабого взаимодействия. Обнаруженный процесс экспериментально подтверждает предсказания электрослабой теории и предоставляет исследователям новые способы изучения этого явления.

Физики из ATLAS заявили о результате на прошедшей онлайн-конференции ICHEP, отчет доступен на сайте эксперимента.

В школе учат, что два луча света не могут провзаимодействовать друг с другом. Это верно для классической электродинамики, однако Стандартная модель дает на этот счет совсем другие предсказания. В рамках этой уже классической в физике элементарных частиц теории фотоны — кванты света и переносчики электромагнитного взаимодействия — могут рассеиваться друг на друге, а при прямом столкновении даже рождать новые частицы.

Физики на Большом адронном коллайдере уже неоднократно наблюдали подобные явления. К примеру, в 2017 году на ATLAS увидели процесс взаимодействия двух фотонов с рождением двух других фотонов — эффект, который уже давно предсказали в рамках квантовой электродинамики.

Однако в этот раз ученые обнаружили существенно более сложный процесс столкновения двух фотонов с рождением двух W-бозонов. Сами W-бозоны являются переносчиками слабого взаимодействия — одного из четырех существующих взаимодействий наравне с электромагнитным, сильным и гравитационным.

Согласно теории электрослабого взаимодействия, являющейся частью Стандартной модели, фотоны и W-бозоны могут взаимодействовать не только с окружающей их материей, но и друг с другом. Ранее ATLAS уже сообщал об обнаружении этого процесса в данных с первого сезона работы Большого адронного коллайдера, но тогда экспериментаторам не удалось достигнуть достаточной для подтверждения открытия статистической точности.

Диаграммы, описывающие процесс столкновения двух фотонов с рождением двух W-бозонов. Слева фотоны рождаются в упругих процессах, в центре один из фотонов рождается в распаде или столкновении протона, справа оба фотона рождаются в неупругих процессах. / ATLAS / CERN, 2020

Теперь накопленные за 2015–2018 годы данные по протон-протонным столкновениям с энергией 13 тераэлектронвольт в системе центра масс позволили ученым правомерно заявить о подтверждении открытия. Как и раньше, процесс столкновения двух фотонов с рождением двух W-бозонов физики отслеживали по продуктам распада последних, ведь сами W-бозоны живут всего порядка 3×10^-25 секунды.

Исследователи искали рожденные в таких распадах электрон и мюон с противоположными знаками. Также в этом процессе рождаются нейтрино, однако зарегистрировать их экспериментаторы не могут, а значит восстанавливать присутствие этих легчайших частиц приходилось по импульсам остальных продуктов распада. Осложняло отбор событий и то, что W-бозоны в разы чаще рождаются во взаимодействиях кварков и глюонов. Эти процессы физики отсеивали, следя за треками всех участвующих в событии частиц, отбирая только распады с электроном и мюоном.

В результате физикам удалось добиться статистической точности в 8,4 σ, далеко уйдя за требуемые для официального открытия 5 σ. Ученым также удалось посчитать сечение наблюдаемого столкновения фотонов с рождением W-бозонов, которое составило 3,13 ± 0,59 фемтобарн. В дальнейшем исследователи смогут использовать это значение в моделировании и изучении таких процессов.

Важным результатом работы ATLAS является и то, что экспериментаторы подтвердили возможность использования Большого адронного коллайдера как источника столкновений высокоэнергетических фотонов. Это и правда удивительно, ведь сильное взаимодействие доминирует в столкновениях ускоренной коллайдером материи. Обнаружение на БАК нового способа исследования электрослабого взаимодействия может открыть дорогу для новых исследований по проверке Стандартной модели и поиску Новой физики, которые станут все более реальны с увеличением объема накапливаемых данных. В этом ученым должен помочь проходящий сейчас апгрейд Большого адронного коллайдера, цель которого — повысить светимость установки.