Huit collisions qui ont révélé un nouveau processus express
Dans le détecteur ATLAS du Grand collisionneur de hadrons, les protons entrent en collision des milliards de fois par seconde. Parmi ce flux, les physiciens ont repêché huit événements où, après l'impact, sont nées simultanément deux particules Z et un photon. La particule Z est un porteur massif de l'interaction faible ; elle vit moins d'un milliardième de seconde et se désintègre en une paire de particules chargées. Dans le cas présent, chaque particule Z s'est désintégrée en un électron ou un muon, tandis que le photon est resté dans le détecteur comme un amas d'énergie distinct.
Pour isoler ces événements rares, les physiciens ont sélectionné les collisions où, après la désintégration des particules Z, il restait quatre particules chargées (électrons ou muons) et un photon. Un tel ensemble ressemble à quatre traces de débris et une lueur de lumière. En quatre années de fonctionnement du collisionneur, de 2015 à 2018, seules huit de ces images ont été accumulées. Le bruit de fond provenant d'autres processus pouvant imiter une signature similaire a été estimé à moins d'un événement. Cela signifie que le signal est authentique.
Le taux de production mesuré de deux particules Z et d'un photon correspond au calcul du modèle standard, la théorie la plus précise des particules élémentaires. La concordance entre le nombre et le calcul renforce la confiance dans le modèle. Mais c'est précisément dans ces processus rares que des écarts pourraient apparaître si de nouvelles particules ou forces existaient. Pour l'instant, aucun écart n'est visible, mais les physiciens disposent désormais d'un outil pour poursuivre leurs recherches.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2602.17165
This paper presents the first evidence of the simultaneous production of two $$Z$$ bosons and one photon with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The measurement is performed using the full Run-2 dataset, recorded from 2015 to 2018, of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of $$13$$ TeV, corresponding to an integrated luminosity of $$140$$ fb$$^{-1}$$. The fully leptonic final state with four leptons and one photon is analyzed, $$pp\rightarrow ZZ\gamma\rightarrow\ell^+\ell^-\ell'^+\ell'^-\gamma$$ with $$\ell, \ell' = e$$ or $$\mu$$. This final state is measured in a fiducial region where photon final-state radiation is minimized, and the photon has a transverse momentum of $$p_{\mathrm{T}}^\gamma > 20$$ GeV. Eight events are selected, with a background estimate of $$0.92\pm0.15$$. This results in an observed (expected) significance of the $$ZZ\gamma$$ final state of $$4.4\sigma$$ ($$4.4\sigma$$). The measured cross-section for $$pp\rightarrow ZZ\gamma\rightarrow\ell^+\ell^-\ell'^+\ell'^-\gamma$$ in the fiducial region is $$\sigma_{ZZ\gamma} = 0.144 _{-0.051}^{+0.064} \text{ (stat.)} _{-0.005}^{+0.007} \text{ (syst.) fb}$$, in agreement with the predicted Standard Model one, $$\sigma_{\textrm{fid.}}^{\textrm{SM}} = 0.143 _{-0.004}^{+0.007}$$ fb.
Deux particules Z et un photon naissent en moyenne une fois sur 7 billions de collisions de protons, soit l'équivalent de trouver un grain de sable particulier sur une plage de plusieurs kilomètres de long.