Søger efter tunge nye partikler med ATLAS-eksperimentet

Siden opdagelsen af ​​Higgs-bosonen i 2012, ATLAS Collaboration hos CERN har arbejdet på at forstå dets egenskaber. Især ét spørgsmål skiller sig ud:hvorfor har Higgs-bosonen den masse, den har? Eksperimenter har målt dens masse til at være omkring 125 GeV - alligevel antyder standardmodellen, at den har meget større masse og kræver en meget stor korrektion af matematikken for at bringe teori på linje med observation, fører til "naturlighedsproblemet".

Denne uoverensstemmelse kunne løses, hvis der eksisterede en ny form for interaktion, ud over de fire kendte fundamentale kræfter (tyngdekraft, elektromagnetisme, stærk og svag). Denne interaktion ville resultere i nye kraftbærende partikler (bosoner) med masser, der er meget større end noget i øjeblikket i standardmodellen. Blandt flere teorier, der beskriver denne interaktion, er "heavy vector triplet" (HVT) modellerne, hvilket tyder på, at en ny partikel - "W prime" (W') bosonen - kunne produceres med de kollisionsenergier, der er tilgængelige ved LHC. Som navnet antyder, disse nye tunge partikler ville interagere med den elektrosvage kraft og, efter at være blevet produceret i en kollision, ville meget hurtigt henfalde til et W-boson og Higgs-boson.

En ny søgning fra ATLAS Collaboration, udgivet i denne uge på Large Hadron Collider Physics -konferencen (LHCP 2021), sætter grænser for massen af ​​W' boson, ved hjælp af det fulde LHC Run 2-datasæt indsamlet mellem 2015 og 2018. Søgningen retter sig mod den "semileptoniske" sluttilstand, hvor Higgs-bosonen henfalder til et par b-kvarker, og W-bosonen henfalder til både en neutrino og en elektron, muon eller tau lepton.

Den brede vifte af mulige masser for W'-bosonen – fra 400 GeV til 5 TeV – stillede ATLAS-fysikere over for nogle unikke udfordringer. Hvis W'-massen er i den tungere ende af forudsigelserne, det ville producere Higgs-bosoner med højere energier, og de resulterende b-kvarker ville udsende to "jets" (kollimerede sprays af partikler), der er så tæt på hinanden, at de fremstår som en enkelt stråle med en stor radius i ATLAS-detektoren. Mindre W-masser, på den anden side, ville fremstå som to adskilte jetfly. For at tage højde for denne store variation af funktioner, den nye ATLAS-analyse studerede flere forskellige kanaler, hver specifikt optimeret til at give den bedste følsomhed over for den nye partikel.

Som det ses i figur 2, mange langt mere almindelige Standard Model -processer kan resultere i den samme signatur som W' -forfaldet, så det er afgørende vigtigt at fjerne så meget af denne standardmodelbaggrund som muligt. ATLAS-fysikere brugte en multivariat algoritme, der brugte visse kinematiske træk ved b-quark-henfald til at forsøge at skelne deres henfaldsstråler fra andre, lettere smag af hadroner, oprettelse af "et b-tag" og "to b-tag" regioner. Derudover forbedring af den tidligere søgning efter W'-bosoner med et delvist Run 2-datasæt, forskere brugte nye teknikker til at identificere og måle stråler i detektoren. "TrackCaloCluster" jetfly kombinerede information fra ATLAS' indre sporingssystem og elektromagnetisk kalorimeter, mens "Variable Radius" jetfly mere effektivt kunne identificere Higgs bosoner ved at tillade radius af dets henfaldsstråler at ændre sig med forskellige mængder af momentum.

Fysikere fandt ingen statistisk signifikante beviser for en afvigelse fra standardmodellen i deres søgning. Resultaterne blev brugt til at sætte nye grænser, vist her, på massen af ​​et hypotetisk W' boson, ekskl. masser op til 3,15 TeV, hvilket er en stigning på næsten 12 % fra den tidligere ATLAS-søgning efter et HVT W'-boson med et delvist Run 2-datasæt. Jagten på ny fysik fortsætter!