W和Z玻色子的ATLAS候选事件与纵向极化同时产生。图片来源：ATLAS/CERN

在粒子物理学的标准模型中，Brout-Englert-Higgs机制为基本粒子提供质量。虽然物理学家正在对希格斯玻色子进行直接研究以测试这种机制，但其他具有质量的粒子的探针也可以提供洞察力。例如，W和Z玻色子- 弱力的载体 - 从希格斯机制获得质量。这会影响它们的极化，即它们的量子自旋与给定方向对齐的程度。W和Z玻色子的自旋为1，并且可以作为它们质量的直接结果而纵向极化 - 换句话说，它们的自旋可以垂直于它们的运动方向。

同时产生两个W或Z玻色子（或“双子”产生）使物理学家能够研究玻色子之间的基本相互作用。这些罕见的过程尚未根据标准模型预测进行全面测试，研究产生的玻色子的极化是揭示新物理效应的一种方式。虽然自大型强子对撞机（LHC）的前身大电子 - 正电子（LEP）对撞机时代以来，已经分别研究了W和Z玻色子的极化，但从未观察到与纵极化同时产生的两个这样的玻色子。凭借在大型强子对撞机运行2期间收集的大量数据和创新的分析方法，ATLAS研究人员现在能够研究介子产生事件的联合极化状态。

在ICHEP 2022会议上发表的一项新研究中，ATLAS物理学家首次能够观察到W和Z玻色子同时纵向极化的事件。为了达到这一结果，研究人员确定了同时包含W玻色子和Z玻色子的事件。他们专注于玻色子转化或“衰变”成称为轻子的粒子的事件，因为这些粒子在ATLAS探测器中留下了最清晰的特征。在这样的WZ事件中，母玻色子的极化表现为角可观察量，这些可观察物对于不同的极化状态具有非常不同的分布。

然而，并非所有四种可能的WZ关节极化状态 - 纵向 - 纵向，纵向 - 横向，横向 - 纵向和横向 - 都是同样可能的。最有趣的事件，两个玻色子都表现出纵向极化，是很好的隐藏 - 它们仅占所有WZ事件的7%左右，相当于ATLAS研究的17，100个WZ事件中的1，200个。

为了克服主要的实验挑战，研究人员开发了专门的机器学习算法来提取四种类型的联合极化事件的分数，相对不确定性最多约为20%。他们发现，对这些分数的标准模型预测始终位于测量值的95.5%置信水平区域内，这意味着该理论没有显着的张力。研究人员还发现，两个单玻色子纵向极化分数的乘积比实际的纵纵联合极化分数低约50%。这是对两个玻色子之间相关性所起的作用的直接衡量，并表明两个单玻色子极化不是独立的。

这个结果是对标准模型本身的一些最基本结构的迷人研究。联合极化测量的可行性为寻找新的物理现象提供了新的机会，针对更具体（和更罕见）的过程。基于这里开发的新技术，物理学家现在可以设想对两个纵极化玻色子的散射进行更具挑战性的关节极化测量。

更多信息：使用ATLAS探测器在√s = 13 TeV时通过p p碰撞观察W±Z产生的规范玻色子关节极化态（2022）