Søger efter aksioner med ATLAS-detektoren

Forskergruppen af ​​professor Matthias Schott fra PRISMA+ Cluster of Excellence ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) har offentliggjort resultaterne af en omfattende række målinger ved ATLAS-detektoren af ​​Large Hadron Collider (LHC) til arXiv preprint server. Dataene blev registreret under den anden køretid af LHC mellem 2015 og 2018.

Formålet med det eksperimentelt udfordrende måleprogram er at søge efter aksion-lignende partikler, der kunne produceres i visse henfald af Higgs-partiklen - og da nye partikler kunne forklare afvigelsen af ​​det eksperimentelt bestemte unormale magnetiske moment af myonen fra dens teoretiske forudsigelse .

Værket repræsenterer den eksperimentelle test af en axionmodel udviklet af prof. Dr. Matthias Neubert, teoretisk fysiker og talsmand for PRISMA+, og er således et ideelt eksempel på det værdifulde samspil mellem teori og eksperiment på Mainz-stedet.

Aksioner er hypotetiske elementarpartikler, der oprindeligt blev postuleret til at løse en teoretisk mangel ved den stærke interaktion, det såkaldte stærke CP-problem. I mange år er axioner eller axion-lignende partikler (ALP'er) også blevet betragtet som lovende kandidater til mørkt stof.

"På denne baggrund har fysikere udviklet adskillige eksperimenter til at søge efter især meget lette ALP'er," forklarer Schott. "For første gang har vi foreslået og implementeret et detaljeret forskningsprogram ved LHC's ATLAS-eksperiment, med hvilket vi specifikt søger efter relativt tunge ALP'er - disse kunne igen forklare puslespillet med myonens unormale magnetiske moment, som Matthias Neubert viste i en model udviklet for et par år siden."

Sammen med Martin Bauer og Andrea Thamm postulerede Neubert i 2017, at ATLAS kunne bruges til at søge i et meget stort udvalg af passende aksionsmasser med meget høj følsomhed. For Schott var dette udgangspunktet for den vellykkede ansøgning om ERC-bevillingen. "Jeg har nu testet en stor del af parameterrummet i Neuberts model med min gruppe som en del af denne ERC-bevilling, og vi er meget glade for, at vi nu kan offentliggøre de første resultater."

Neubert på sin side har siden klarlagt den forventede effekt af ALP'er på muon-momentumet i en nylig artikel offentliggjort i Journal of High Energy Physics med Anne Galda.

En innovativ eksperimentel præstation

Serien af ​​målinger er baseret på ideen om, at potentielle ALP'er skal kobles til både myonen og fotonerne for at forklare anomalien i myonens magnetiske moment. Konkret undersøgte forskerne en teoretisk postuleret henfaldskæde, hvor en Higgs-partikel først henfalder til to ALP'er, og disse igen til to fotoner hver (H à aa à 4ƴ). Målet var at detektere koblingen af ​​ALP'erne til fotonerne i denne kæde.

"Vi fandt ikke nogen iøjnefaldende signaler, der kunne indikere tilsvarende ALP'er," forklarer Schott. "I det undersøgte område kan vi derfor udelukke axion-foton-kobling med den største sandsynlighed." Men da forskergruppen for første gang var i stand til at søge i et meget stort parameterområde og var seks størrelsesordener mere følsom end tidligere målinger, især med hensyn til koblingsstyrken, er det lykkedes dem at sætte de strengeste eksklusionsgrænser til dato for massen og koblingsstyrken af ​​ALP'er.

Neubert siger:"Det specielle ved denne måling er, at ALP'er potentielt kan detekteres via Higgs fysik. Vi er i højenergiområdet af partikelfysik og kan dermed spore uoverensstemmelsen i det unormale magnetiske muonmoment via konvertering af høj -energipartikler Dette er en komplementær tilgang til den direkte måling af myonens egenskaber i lavenergiområdet som en del af myon g-2-eksperimentet, hvilket netop er det, der gør det så spændende."

Nye analysealgoritmer baseret på kunstig intelligens

Den henfaldsproces, der er undersøgt af Schotts gruppe, er eksperimentelt meget udfordrende, primært fordi de fotoner, der skal detekteres fra ALP-henfald, ikke produceres ved detektorens kollisionspunkt. "Ved normale partikelkollisioner mødes partiklerne altid præcis i midten af ​​detektoren. Og eventuelle nye partikler, der bliver skabt i denne kollision, antager vi typisk, at deres rejse starter lige ved kollisionspunktet. De normale algoritmer og kalibreringer, vi har, er baseret netop på denne hypotese," forklarer Schott.

"Men hvis der skabes nye partikler, der 'lever' længe nok, så flyver disse partikler først et kort stykke før de henfalder. Det betyder, at vores oprindelige antagelse ikke længere gælder, og vi er nødt til at udvikle helt nye tilgange for også at kunne se partikler i detektoren, der ikke stammer fra kollisionspunktet."

Specifikt i Neuberts model henfalder Higgs-partiklen først til to ALP'er umiddelbart på punktet for partikelkollisionen. ALP'erne flyver dog et stykke tid, før de hver især henfalder til to fotoner, så disse fotoner produceres væk fra kollisionspunktet. "Vi kalder disse hændelser med et forskudt toppunkt - et forskudt kollisionspunkt, så at sige. Det er nu lykkedes at foretage en sådan måling med fotoner for første gang."

Derudover er der en anden udfordring:Hvis ALP'erne er forholdsvis lette, er de fotoner, som de henfalder i, meget tæt på hinanden. Detektoren opfatter de to fotoner som en enkelt foton - medmindre der er en ny algoritme, der er trænet til at gøre netop det:det vil sige, som kan genkende fotoner, der faktisk blev rekonstrueret som en foton som to fotoner. "Vi var i stand til at udvikle en sådan algoritme ved hjælp af kunstig intelligens i form af neurale netværk og dermed med succes løse signaler fra meget kollineære fotoner."

Men der er mere. Selv med de specialudviklede algoritmer, som forskerne kan dække et meget stort søgeområde med, kan de ikke "fange" alle de ALP'er, de vil målrette mod. For også at lukke dette hul, ønsker de at bruge FASER-eksperimentet, som nu er gået i drift i en sidetunnel af LHC omkring 480 meter bagved ATLAS-eksperimentet.

Muonen som et testlaboratorium for ny fysik

For nylig annoncerede muon g-2-samarbejdet hos Fermilab en ny måleværdi for det unormale magnetiske moment, der er dobbelt så nøjagtig som det forrige. PRISMA+ arbejdsgruppen ledet af prof. Dr. Martin Fertl er den eneste i Tyskland, der er involveret i eksperimentelle bidrag. Modstykket er muon g-2 teoriinitiativet, en verdensomspændende sammenslutning af mere end 130 fysikere, der beskæftiger sig med teoretiske forudsigelser inden for rammerne af standardmodellen.

Også her yder Mainz-arbejdsgrupperne af prof. dr. Achim Denig, prof. dr. Harvey Meyer, prof. dr. Marc Vanderhaeghen og prof. dr. Hartmut Wittig adskillige vigtige bidrag – lige fra måling af eksperimentelle inputvariabler til højpræcisionsberegning af bidragene fra den stærke interaktion ved hjælp af metoderne for gitterkvantekromodynamik på Mainz mainframe-computeren MOGON-II.

Baseret på de seneste beregninger er det stadig ikke klart, om der er en reel uoverensstemmelse mellem teori og eksperiment, og hvis der er, hvilke teoretiske tilgange der kunne bruges til at forklare det. Det demonstrerer dog endnu en gang PRISMA+ klyngens store ekspertise i Mainz i søgen efter ny fysik – og her i særdeleshed i samspillet mellem teori og eksperiment og brugen af ​​komplementære metoder til at besvare de store spørgsmål i moderne fysik.

"Vores arbejde offentliggjort i dag er et vigtigt bidrag her, selvom det viser, at pladsen til modeller af ny fysik, som vi kan teste eksperimentelt, bliver mindre og mindre," siger Schott og kategoriserer resultatet. "Med hensyn til ALP'er er disse stadig lovende kandidater til mørkt stof, men vi kan meget sandsynligt udelukke dem som årsagen til en uoverensstemmelse i det magnetiske moment af myonen."

Flere oplysninger: Søg efter kort- og langlivede axion-lignende partikler i H → aa → 4γ henfald med ATLAS-eksperimentet ved LHC, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.03306

Anne Mareike Galda et al., ALP-LEFT Interference and the Muon (g − 2), Journal of High Energy Physics (2023). DOI:10.1007/JHEP11(2023)015. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.01338

Journaloplysninger: arXiv

Leveret af Johannes Gutenberg University Mainz