Udførelse af præcisionsberegninger på spidsen af ​​LHC-æraen med høj lysstyrke

Der er mange åbne spørgsmål om Standard Model of partikelfysik (SM), som i øjeblikket er den bedste beskrivelse, vi har af partikelfysikkens verden. Eksperimentelle og teoretiske fysikere konkurrerer med hinanden i en sund konkurrence om at granske SM og identificere dele af den, der kræver yderligere forklaring, ud over modellens velkendte mangler, såsom neutrinomasser.

Eksperimenter udført på LHC og andre faciliteter på CERN kan detektere specifikke signaturer, hvor data afviger lidt fra teoretiske forudsigelser. Det er afgørende at fortsætte med at undersøge, om sådanne potentielle afvigelser enten kan afsløre ny fysik eller forklares af SM.

For at skelne signalet fra baggrunden i et eksperiment skal teoretiske fysikere beregne alle komplekse processer med ekstrem præcision. Dette indebærer undersøgelse af fine detaljer, herunder observerbare størrelser såsom antallet af hændelser eller kinematiske detaljer om en specifik proces, der kunne afsløre fodaftrykket af et endnu ukendt fænomen.

Sådanne beregninger forbedrer f.eks. nøjagtigheden af ​​massemålingerne af W-bosonen og topkvarken, såvel som den stærke koblingskonstant.

Den stærke kraft og dens kobling er de mindst kendte af alle i SM, men de styrer næsten alle processer på LHC. Derudover hjælper præcisionsberegninger med at udvikle nye teknikker til at beskrive spredningsprocesser og hvordan man simulerer dem effektivt.

Disse beregninger var allerede udfordrende under LEP-æraen, men LHC tog dem til et nyt niveau, hvilket førte til en eksplosion i beregningskompleksitet og dermed behovet for nye metoder til at beregne spredningsprocesser.

Forskellige aspekter af præcisionsberegninger er blevet afgørende for dataanalyse i moderne eksperimenter:for eksempel er de nødvendige til beregning af komplekse spredningsamplituder, der beskriver den endelige tilstand umiddelbart efter en kollision, såsom produktionen af ​​tre partikler efter kollisionen af ​​to protoner .

Et fremtrædende eksempel er associeret Higgs-bosonproduktion, specifikt med to topkvarker. På grund af de mange mulige produktionsmekanismer og sluttilstande kan ny fysik træde ind på mange forskellige måder. Teoretiske fysikere skal derfor beregne hver produktionstilstand med høj nøjagtighed.

Beregning af spredningsamplituder er kun en lille del af det bredere felt af præcisionsberegninger. En anden er Monte Carlo event generatorer. Disse beregninger har til formål at beskrive alle stadier af spredningsprocessen, fra de få partikler, der produceres ved kollisionen, til de hundredvis af partikler, der observeres i detektoren. På hvert trin fortolkes den underliggende fysik probabilistisk og simuleres med Monte Carlo-metoder, som er essentielle for simuleringer, der kan anvendes af eksperimenter som en robust kontrol over systematiske usikkerheder i deres analyser.

Et afgørende eksempel er vektor-boson-fusionen, hvor to kvarker spredes og udveksler en svag boson, der blandt andre partikler skaber en Higgs-boson. At beregne denne proces med en Monte Carlo-generator er en meget kompleks, men vigtig opgave, da ny fysik potentielt kan gemme sig i detaljer om den endelige tilstand.

"For et par årtier siden var dette ikke muligt. Nu viser vores evne til at beskrive dataene med op til 5 % nøjagtighed eller bedre styrken af ​​første-princip-beregninger og deres evne til præcist at afspejle kompleksiteten af ​​et hadron-kollidermiljø, som f.eks. som LHC ser jeg virkelig frem til, hvad æraen med High-Luminosity LHC og fremtidige kollidere vil bringe," siger Pier Monni, en teoretisk fysiker ved CERN.

Leveret af CERN