ATLAS Eksperiment søger efter nye symmetrier i naturen

De grundlæggende naturkræfter er nært forbundet med tilsvarende symmetrier. For eksempel, egenskaberne ved elektromagnetiske interaktioner (eller kraft) kan udledes ved at kræve, at den teori, der beskriver det, forbliver uændret (eller uændret ) under en vis lokaliseret transformation. En sådan invariance kaldes en symmetri, ligesom man vil henvise til et objekt som symmetrisk, hvis det ser det samme ud efter at have været roteret eller reflekteret. Den særlige symmetri relateret til de kræfter, der virker blandt partikler, kaldes målesymmetri .

Det resulterende måle bosoner der bærer kræfterne er:den masseløse foton for elektromagnetisme, de masseløse gluoner til den stærke interaktion, og de massive W- og Z -bosoner for den svage interaktion. Hvis naturen har symmetrier ud over dem, vi kender i øjeblikket, vi kunne observere yderligere kraftbærende partikler. Det faktum, at sådanne partikler ikke tidligere er blevet opdaget, indikerer, at de kan være meget tunge - for tunge til at være blevet produceret af tidligere partikelkolliderer.

Vi har en tendens til at tænke på disse hypotetiske partikler som endnu tungere versioner af W- og Z -bosonerne, som er blandt de tungeste fundamentale partikler, man kender i dag, og vi omtaler dem som W 'og Z' bosoner. Det er værd at bemærke, at det er W- og Z -bosonernes store masse, der får den svage interaktion til at fremstå så svag. Og med W'- og Z' -bosonerne menes at være mindst et par titalls gange tungere end deres kolleger, de skulle formidle absolut svage interaktioner. Dette ville forklare, hvorfor sådanne interaktioner endnu ikke er blevet observeret.

Så, hvordan kan ATLAS -eksperimentet opdage W'- og Z' -bosonerne, skal de eksistere? Præcis på samme måde som W- og Z -bosonerne blev opdaget ved CERN for mere end 30 år siden. Z 'bosonen forventes at henfalde til et ladet leptonpar (elektron-positron eller muon-antimuon), giver en ren signatur i det ellers overfyldte 13 TeV -kollisionsmiljø. Restmassen (eller uændret masse) af den forfaldne boson beregnes ud fra det målte leptonmoment. Tilstedeværelsen af ​​Z 'boson ville manifestere sig som et "bump" i den ellers jævnt faldende invariante massefordeling. W 'bosonen forventes at henfalde til et ladet lepton og et neutrino, hvilket også er en ren signatur, selvom neutrinoen ikke opdages og kun delvist rekonstrueres fra momentumbalancen ved kollisionen. I dette tilfælde, det tværgående masse beregnes som et estimat af den uforanderlige masse, og W 'boson ville blive set som et bump i den tilsvarende fordeling.

Den målte invariante masse og tværgående massefordelinger er vist i figur 2 og 3, henholdsvis. Dataene passer godt til forventningen fra kendte processer, og der findes ingen statistisk signifikante bump. Baseret på de forventede bidrag fra hypotetiske W- og Z -signaler, vises som åbne histogrammer i den høje ende af fordelingerne, manglen på et overskud betyder, at hvis W 'eller Z' bosoner eksisterer, de skal have masser over ca. 4-5 TeV, omtrent 50 gange massen af ​​Z boson. Da ATLAS -eksperimentet fortsat tager data i de kommende år, der er stadig en chance for, at en ny symmetri af naturen vil blive afsløret, muligvis give svar på nogle af de centrale åbne spørgsmål i grundlæggende fysik.