НОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ W И Z БОЗОНОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
ATLAS
И.О. Волков, И.С. Дьячков, Л.Н. Смирнова, Р.А. Шоркин
Физичекий факультет МГУ имени М.В. Ломоносова
E-mail: lns@physics.msu.ru
Векторные Wи Zбозоны были открыты в 1983г. и служат переносчиками слабого
взаимодействия. Большой адронный коллайдер (БАК) предоставляет уникальные
возможности для исследования свойств этих бозонов. Помимо того, что по
измерениям их сечений уточняются структурные функции протона, прецизионные
измерения их характеристик, таких как масса, поляризация, характер их
взаимодействия друг с другом и с бозоном Хиггса, позволяют проводить проверку
предсказаний Стандартной модели и уточнение её параметров, а также осуществлять
поиск явлений новой физики за пределами Стандартной модели. На БАК, называемом
«фабрикой W и ZZ бозонов и 108 WZ
бозонов на и в 100 раз превышает
количество бозонов на LEP.
Эксперимент ATLAS является одним из двух крупнейших на БАК. Новые измерения
свойств W и Zбозонов в эксперименте ATLASявляются актуальными и дают важную
информацию для проверки квантовой хромодинамики и электрослабой теории.
Важнейшим результатом 2018г. является измерение массы W бозона. Измерения
выполнены на данных рр взаимодействий при энергии 7 ТэВ. В анализе использовано
7.8×106 событий с распадом W→ µν и 5.9×106 событий с
распадом W→ eν. Масса W бозона измерена методом шаблонов с использованием
распределений заряженных лептонов по поперечному импульсу рт и величине
поперечной массы Wбозона. Получена величина масс mW MэВ = 80370±19 МэВ.
Погрешность проведенного измерения существенно ниже, чем у суммарного результата
всех экспериментов
LEP (33 МэВ), и близка к суммарной погрешности измерений
экспериментов на Теватроне (16 МэВ) [1]. Результаты измерения масс Wбозона,
t кварка и бозона Хиггса в эксперименте ATLASпоказаны на рисунке 1 в сравнении с
результатами глобального фитирования в электрослабой теории.
Другим важным результатом является измерение сечений рождения W и Z бозонов в
протонных взаимодействиях в диапазоне энергий в системе центра масс √sот 5.02 до
13 ТэВ [2-4]. Результаты измерения приведены на рис.2, без данных при 5.02 ТэВ,
хотя они ложатся на расчетные кривые.
Рис.
1. Результаты глобального фитирования и новых измерений масс
W бозона, t кварка и бозона Хиггса в эксперименте
ATLAS[1]
Рис. 2. Сечения рождения W и Z бозонов, умноженные на
вероятность распада по лептонному каналу, измеренные в экспериментах
ATLASи CMS.
Линии на рисунках 2
соответствуют расчетам до второго за лидирующем члена теории возмущений кварковой хромодинамики и электрослабой теории.
Измерения дифференциальных
сечений векторных бозонов, параметра асимметрии вылета лептонов от распада Wбозонов позволили провести уточнения структурных функций протона. В результате
получены оценки величины моря странных кварков в протоне при двух наборах
переменных Q2
и х. При Q2=m2Z и х = 0.013
величина отношения количества странных кварков к нестранным легким кваркам
составляет r = (s + s)/(2d) =1.19±0.07
(эксп.)±0.02(мод.)+0.02-0.10(парам.), т.е. количество
морских s кварков оказывается не подавлено относительно количества
морских d
кварков. Аналогичный результат получен для других значений переменных Q2=
1.9 ГэВ2 и х = 0.023, т.е значительно меньшего переданного
четырехимпульса Q,
R = (s + s)/(u +
d) = 1.13
±0.05 (эксп.)±0.02(мод.)+0.01-0.06(парам.)
Уточнено значение матричного
элемента матрицы Кобаяши-Маскава |Vcs|. Полученное значение
составляет |Vcs| = 0.969 +0.018-0.031
[4].
Измерения рождения W и
Z бозонов в сопровождении двух струй является важной проверкой электрослабой
теории. Диаграммы электрослабого рождения W бозонов в лидирующем порядке показаны
на рис.3. Аналогичные диаграммы за счет сильного взаимодействия для сравнения
приведены на рис.4. Результаты измерения сечений, умноженных на вероятность
распада, в электрослабых процессах в сравнении с расчетами в электослабой теории
(EW) приведены на рис.5 [5].Видно, что новые измерения ATLASпри 8 ТэВ имеют
наименьшую погрешность.
Рис. 3. Диаграммы
лидирующего порядка электрослабого рождения
W
бозонов в сопровождении двух струй
Рис. 4.
Диаграммы рождения
W
бозона в лидирующем порядке за счет сильного взаимодействия
Сечения рождения пар тяжелых векторных бозонов на четыре и более порядка
ниже, чем измеряемые сечения их одиночного рождения. Именно такие процессы
находятся в центре внимания и являются целью последующих измерений на БАК.
Рис. 5. Измеренные сечения
электрослабого рождения векторных бозонов, умноженные на вероятность распада и
отнесенные к расчетному сечению в стандартной модели
Рис. 6. Зарядовая
асимметрия лептонов от распада
W
Часть собранных данных для протонных соударений при энергии 8 ТэВ
предоставлены коллаборацией ATLASв открытом доступе [6] и используются для
выполнения бакалаврских работ по анализу характеристик событий с рождением W, Z
бозонов и t кварков. На рис. 6 приведены результаты расчетов зарядовой
асимметрии лептонов (совместно электронов и мюонов) от распада W бозонов,
на рис.7 асимметрии АFB вылета лептонов в распадах Z бозонов в системе
Колинза-Сопера и распределения инвариантных масс трех струй (одна из которых
является струей от bкварка, рис.8) для лептон-струйных распадов пар топ кварков.
Рис. 7. Асимметрия лептонов
AFB
от распада
Z
бозонов
Рис. 8. Инвариантная масса
трех струй для лептон-струйных распадов пар топ кварков
ATLAS
Collaboration, Eur. Phys. J. C 78 (2018) 110, р.1- 61
