Søger efter den supersymmetriske bundkvark (og dens venner)

Når det kommer til kvarker, dem fra tredje generation (den øverste og nederste) er bestemt de mest fascinerende og spændende. Metaforisk, vi ville klassificere deres sociale liv som ret afsondret, da de ikke blander sig meget med deres slægtninge af første og anden generation. Imidlertid, som de rigtige aristokrater i partikelfysikverdenen, de nyder privilegerede og intense interaktioner med Higgs-feltet; det er intensiteten af ​​denne interaktion, der til sidst bestemmer ting som kvantestabiliteten i vores univers. Deres sociale liv kan også have en mørk side, da de kunne være involveret i interaktioner med mørkt stof.

Denne særlige status for tredjegenerationskvarker gør dem til nøglespillere i søgen efter fænomener, der ikke forudses af standardmodellen. Et nyt resultat udgivet af ATLAS Collaboration på CERN fokuserer på modeller af nye fænomener, der forudsiger et øget udbytte af kollisionshændelser med bundkvarker og usynlige partikler. En anden ny ATLAS-søgning overvejer den mulige tilstedeværelse af tilføjede tau leptoner. Sammen, disse resultater sætter stærke begrænsninger for produktionen af ​​partnere til b-kvarkerne og af mulige mørkt stof partikler.

Søger efter den supersymmetriske bund...

Den supersymmetriske partner til bundkvarken (den skalariske bund) er en af ​​de mest eftertragtede nye partikler ved Large Hadron Collider (LHC). Under løb 1 af LHC (2010-2013), fysikere var i stand til at sætte stærke begrænsninger på massen af ​​skalarbunden i dens mest naturlige henfaldstilstande. Disse begrænsninger er kun blevet stærkere, efterhånden som forskere har studeret data fra Run 2 (2015-2018). ATLAS Collaboration's nyeste resultater tager søgningen et skridt videre:ikke kun har fysikere undersøgt hele sæt kollisioner af Run 2, de har brugt nye teknikker til at målrette mod mindre almindelige skalar-bund-henfaldstilstande og vanskeligere massehierarkier.

ATLAS' første nye resultat fokuserer på skalarbundshenfald, som ikke ofte undersøges - nemlig, dets henfald til b-kvarker, Higgs bosoner og mørkt stof kandidatpartikler. Som supplement til en tidligere ATLAS-undersøgelse (se figur), det nye resultat leder efter et par tau-leptoner produceret i Higgs-boson-henfaldet. At identificere – eller rettere, fejlidentifikation - disse tau leptoner var et af de mere udfordrende aspekter af denne undersøgelse. For at overvinde dette, ATLAS-fysikere udviklede en dedikeret baggrundsvurderingsteknik, baseret på definitionen af ​​et nøje designet sæt kontrolprøver. Dette gav dem et præcist skøn over den vanskelige baggrundskomponent, der stammer fra fejlidentifikationer af tau leptoner.

I en anden ny undersøgelse af kvarker med skalarbund, ATLAS-forskere vendte deres fokus mod henfaldet af en parproduceret skalarbund til en b-kvark og en kandidatpartikel af mørkt stof, hvilket resulterer i to b-jets og manglende tværgående momentum i den endelige tilstand. De lagde særlig vægt på "komprimerede scenarier, " det er, hvor massen af ​​skalarbunden og massen af ​​kandidaten til mørkt stof er ens. I de tilfælde, b-kvarkerne, der udsendes i skalarbundens henfald, har meget lavt momentum, gør dem svære at identificere.

For første gang i ATLAS, fysikere implementerede maskinlæringsteknikker og dedikerede rekonstruktionsalgoritmer med det formål at rekonstruere det fordrevne bundhadron-henfald uanset tilstedeværelsen af ​​et jetfly. Sammen med den øgede integrerede lysstyrke af LHC, disse teknikker har hjulpet med at skubbe ATLAS-eksperimentets følsomhed til hidtil usete niveauer.

… og dets venner

En af de ting, der gør disse sluttilstande så interessante, er, at de også er fælles for andre nye fænomener, såsom leptoquarks. Disse er hypotetiske partikler, hvis henfald ville krænke lepton- og baryontalsbevaring, som kunne forklare den observerede stof-antistof ubalance i vores univers. En bestemt familie af leptoquarks kan henfalde i det mindste delvist i en b-kvark og en neutrino, giver endnu en gang en sluttilstand med to b-jets og manglende tværgående momentum. Mere generiske modeller af mørkt stof, hvor b-stråler produceres i forbindelse med kandidatpartiklerne af mørkt stof, ville også give samme sluttilstand. ATLAS' nye resultat sætter også konkurrencemæssige grænser for disse scenarier - et væsentligt bidrag til søgningen efter mørkt stof eller leptoquarks.

Afslutningsvis

Undersøgelsen af ​​tredjegenerations kvarksektoren - både med hensyn til præcisionsmålinger og i form af søgninger efter nye fænomener forbundet med den - skal tilskrives den lange liste af triumfer for LHC. Denne viden indikerer indtil videre, at tredje generation opfører sig som forudsagt af standardmodellen. Kun yderligere undersøgelser og undersøgelser vil afsløre nye svar på de store spørgsmål, som tredje generation rejser.