In cadrul Modelului Standard al fisicii particulelor elementare pe langa particulele de materie, precum cuarcii care compun protonii si neutronii, electronii si neutrinii, exista si asa-numitii „purtatori ai interactiunilor”, adica particule care mediaza interactiunile intre particulele de materie.

Printre aceste particule se numara fotonii, care sunt cei care mediaza interactiunea electromagnetica, gluonii, responsabili pentru interactiunea puternica tare, si bosonii intermediari grei, asa-numitele particule W si Z, care au de-a face cu interactiunea nucleara slaba. Studiul acestor intermediari ai interactiunilor este extrem de important intrucat ne ajuta sa intelegem care sunt legile care guverneaza Universul.

Recent, in urma analizei datelor obtinute intre anii 2016 si 2018, colaborarea CMS de la marele accelerator LHC, cel cu circumferinta de circa 27 km, a reusit pentru prima data masurarea unor procese extrem de rare in cadrul carora se produc impreuna trei bosoni intermediari grei (adica W si/sau Z).

Rezultatele au fost prezentate intr-un articol publicat recent in Physical Review Letters si au starnit mult interes.

Producerea a trei bosoni de acest tip este un proces de cateva sute de ori mai rar decat cel in urma caruia se naste faimosul boson Higgs! Chiar daca Modelul Standard prevedea existenta acestor tipuri de procese, pana la publicarea acestui rezultat nimeni nu a reusit sa masoare acest fenomen.

Bosonii W si Z fiind masivi, adica avand o masa destul de mare (in jur de 80-90 GeV – adica cam cat 100 de protoni) au o viata foarte scurta – deci experimentul nu a masurat in mod direct bosonii ci particulele care iar nastere din dezintegrarile acestora.

Bosonii se dezintegreaza dand nastere unor jeturi de particule – o mare parte sunt jeturi de hadroni, adica care contin particule compuse din cuarci; o parte insa se dezintegreaza dand nastere la electroni si muoni (adica leptoni) de mare energie. Experimentul CMS este specializat in masurarea leptonilor, fiind in stare sa masuare procese care provin din dezintegrari de trei bosoni grei. Practic cercetatorii au identificat procesele in care se produc leptoni de mare energie izolandu-le de alte procese care la randul lor au mai multi leptoni insa cu energii mai mici – care nu provin din dezintegrari de bosoni.

Semnificatia statistica a rezultatului este de circa 5.7 sigma -ceea ce inseamna ca probabilitatea ca acest rezultat sa nu corespunda dezintegrarii a trei bosoni este una la un milion.

La ce este important acest studiu? Rezultatele obtinute ajuta la studiul modului in care interactioneaza intre ei bosonii – adica mediatorii interactiunilor. Acest lucru la randul lui ajuta la intelegerea mai profunda a Modelului Standard si eventual ar putea identifica semnale ale unei noi fizici.

Adica daca ceea ce se masoara nu este in acord cu previziunile teoriei acest lucru ar putea fi datorat, de exemplu, unei noi particule care nu-si are locul in Modelul Standard. Acest gen de particule sunt oarecum prevazute de existenta materiei intunecate – care ar fi justificata tocmai prin existenta unor noi tipuri de particule. Acestea ar putea interveni in procesele pe care le studiem si, nefiind noi capabili in Modelul Standard sa le calculam, modifica rezultatele pe care le asteptam. Deci daca de exemplu am vedea mai multe procese cu trei bosoni decat 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 si importante: pe de o parte masoara procese extrem de rare, pe de alta ne ajuta sa optimizam metodele de studiu si instrumentele pe care le avem la dispozitie in dificila cautare a modelului care intr-o buna zi va inlocui actualul Model Standard.

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi colaborator al Scientia.ro.