Kompakt Muon-solenoid på udkig efter ny fysik

Med kørsel 3 af Large Hadron Collider (LHC) lige rundt om hjørnet, offentliggør LHC-eksperimenterne stadig nye resultater baseret på de tidligere kørslers data. På trods af, at der ikke er annonceret nye fund, er der små afvigelser fra forventningerne i et mindre antal analyser. På det nuværende niveau kan disse afvigelser stadig tilskrives tilfældige udsving i data, men de indikerer regioner, der skal undersøges nøje, når den nye strøm af kollisioner kommer. Nedenfor er et par eksempler udgivet for nylig af samarbejdet med kompakt muon solenoid (CMS).

I 2017 registrerede CMS en spektakulær kollisionsbegivenhed indeholdende fire partikelstråler i den endelige tilstand. Den invariante masse af alle fire stråler var 8 TeV, og strålerne kunne opdeles i to par med en 1,9 TeV invariant masse hver. En sådan konfiguration kunne frembringes, hvis en ny partikel med en masse på 8 TeV blev skabt i kollisionen af ​​protonstråler og efterfølgende henfaldt til et par - igen nye - partikler med masser på 1,9 TeV. I en ny analyse, der for nylig blev offentliggjort af CMS, udføres en søgning efter sådanne tvillingepar af jetfly med matchende invariante masser for data indsamlet op til slutningen af ​​LHC Run 2. Overraskende nok blev der fundet en anden hændelse med lignende slående egenskaber, med en 4 -jetmasse på 8,6 TeV og 2-jetmasse på 2,15 TeV. Disse to hændelser kan tydeligt ses i plottet nedenfor, hvor 4-jet hændelserne er plottet som funktion af 2-jet og 4-jet massen.

Mens næsten alle observerede hændelser med to par jetfly er produceret af stærke vekselvirkninger mellem de kolliderende fotoner, er hændelser med så høje invariante masser ekstremt usandsynlige. Sandsynligheden for at se to begivenheder ved disse masser, uden at der er nye fænomener til stede, er af størrelsesordenen 1 ud af 20.000, svarende til en lokal betydning på 3,9σ. Selvom dette umiddelbart kan synes at være et meget stærkt signal, i betragtning af at arealet af masser, der analyseres, er stort, er det vigtigt også at se på global betydning, hvilket indikerer sandsynligheden for at observere et overskud overalt i den analyserede region. For de to begivenheder er den globale betydning kun 1,6σ.

To andre søgninger efter nye tunge partikler rapporterer om små overskud i data. I en søgning efter højmasseresonanser, der henfalder til et par W-bosoner (der derefter henfalder til leptoner) svarer den højeste afvigelse til en signalhypotese med en masse på 650 GeV, med lokal betydning ved 3,8σ og global betydning på 2,6σ. I en søgen efter tunge partikler, der henfalder til et par bosoner (WW, WZ eller andre kombinationer, også inklusive Higgs-bosoner), der efterfølgende henfalder til par af jetfly, afviger dataene fra forventningerne to steder. Signalhypotesen er en W'-boson med en masse på 2,1 eller 2,9 TeV, der henfalder til et WZ-par, og den højeste lokale signifikans er 3,6σ, med en global signifikans på 2,3σ.

Et andet nyt resultat kommer fra søgninger, der leder efter ekstra Higgs-bosonpartikler, der henfalder til tau-par. For en ny partikel med en 100 GeV masse er der et lille overskud set i dataene med 3,1σ lokal og 2,7σ global betydning. Interessant nok falder dette sammen med et lignende overskud set af CMS i en tidligere søgning efter lavmasseresonanser i den endelige to-fotontilstand. Et andet overskud er synligt i højmasseområdet, med den største afvigelse fra forventningen observeret for en masse på 1,2 TeV med en lokal (global) betydning på 2,8σ (2,4σ).

Tau pair-sluttilstanden blev også brugt til at lede efter hypotetiske nye partikler kaldet leptoquarks. Dette er af særlig interesse, da leptoquarks potentielt kan forklare de smagsanomalier, der er blevet observeret af LHCb-eksperimentet, så hvis anomalierne faktisk er en manifestation af nogle nye fænomener, ville dette være en måde at uafhængigt se på disse fænomener fra en anden vinkel . Intet overskud er blevet fundet af CMS indtil videre, men analysen er kun lige begyndt at være følsom over for rækken af ​​leptoquark-parametre, der kunne passe til smagsanomalierne, så der er behov for flere data for fuldt ud at udforske leptoquark-hypotesen.

Den nye LHC-dataoptagelsesperiode starter i juli med højere energi og med væsentligt opgraderede detektorer, hvilket lover en frisk strøm af data til søgninger efter nye fænomener. + Udforsk yderligere

ATLAS-eksperiment søger efter sjældne Higgs-boson-henfald til en foton og en Z-boson