Восемь столкновений, которые показали новый процесс экспресс
В детекторе ATLAS на Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются миллиарды раз в секунду. Среди этого потока физики выловили восемь событий, в которых после удара возникли сразу две Z-частицы и один фотон. Z-частица — тяжёлый переносчик слабого взаимодействия, она живёт меньше миллиардной доли секунды и распадается на пару заряженных частиц. В данном случае каждая Z-частица распалась на электрон или мюон, а фотон остался в детекторе как отдельный сгусток энергии.
Чтобы выделить эти редкие события, физики отбирали столкновения, где после распада Z-частиц остаются четыре заряженные частицы (электроны или мюоны) и один фотон. Такой набор — как четыре следа от осколков и одна вспышка света. За четыре года работы коллайдера с 2015 по 2018 год набралось всего восемь таких картин. Фон от других процессов, которые могут имитировать похожий след, оценили меньше чем в одно событие. Это значит, что сигнал настоящий.
Измеренная частота рождения двух Z-частиц и фотона совпала с расчётом по Стандартной модели — самой точной теории элементарных частиц. Совпадение числа и расчёта укрепляет доверие к модели. Но именно в таких редких процессах могут проявиться отклонения, если существуют новые частицы или силы. Пока отклонений не видно, но теперь у физиков есть инструмент, чтобы искать их дальше.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском 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.
Две Z-частицы и фотон рождаются в среднем один раз на 7 триллионов столкновений протонов — это как найти одну особенную песчинку на пляже длиной в несколько километров.