Search for low-mass resonances decaying into two jets and produced in association with a photon or a jet at TeV with the ATLAS detector
باستخدام مجموعة بيانات التشغيل الثاني (Run 2) الكاملة من تجربة ATLAS عند طاقة مركز الكتلة تيرالكترون فولت، تبحث هذه الدراسة عن رنينات ثنائية النفاثات (dijet resonances) منخفضة الكتلة الناتجة بالاقتران مع فوتون أو نفاثة، حيث لم تجد أي دليل على فيزياء جديدة ووضعت حدوداً عليا جديدة لقطاعات الإنتاج للكتل ما بين 200 و650 جيجا إلكترون فولت.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
بُني الكون على أساس من الجسيمات والقوى التي أمضى الفيزيائيون قرناً من الزمان في رسم خرائطها. هذه الخريطة، المعروفة باسم "النموذج القياسي"، تشرح بنجاح كيفية عمل العالم المرئي، من توهج المصباح الكهربائي إلى الاندماج الذي يمد الشمس بالطاقة. ومع ذلك، فإن الخريطة غير مكتملة؛ فهي لا تستطيع تفسير سبب امتلاء الكون بالمادة المظلمة غير المرئية، كما أنها لا تفسر عدم التوازن بين المادة والمادة المضادة الذي سمح بوجودنا. ولملء هذه الفجوات، يقترح العلماء وجود جسيمات جديدة وأثقل تتفاعل مع الجسيمات المعروفة ولكنها تظل مختبئة في وضح النهار. أحد المرشحين الرئيسيين هو جسيم افتراضي يسمى "بوزون زد-برايم" (Z-prime boson). فكر فيه كابن عم ثقيل وغير مرئي للفوتون، قادر على التحلل إلى أزواج من الجسيمات العادية التي تتطاير مبتعدة عن بعضها بسرعات هائلة. إن العثور على مثل هذا الجسيم سيكون بمثابة نافذة مباشرة على الفيزياء التي تقع وراء فهمنا الحالي.
ولاصطياد هذه الجسيمات المراوغة، يقوم الباحثون في مصادم الهادرونات الكبير بصدم البروتونات معاً بسرعة تقارب سرعة الضوء، مما يخلق فيضاً من الحطام تسجله الكواشف بتفاصيل دقيقة للغاية. وفي دراسة حديثة، وجه تعاون "أطلس" (ATLAS) -وهو فريق يضم آلاف العلماء يعملون مع أحد أكبر الكواشف في العالم- اهتمامهم إلى نوع محدد من التصادمات. لقد بحثوا عن سيناريو يتم فيه إنشاء جسيم جديد وثقيل جنباً إلى جنب مع فوتون عالي الطاقة أو نفاثة من الجسيمات (jet). وتعد هذه الاستراتيجية حاسمة لأنها تسمح للعلماء بالبحث عن نسخ أخف من هذه الجسيمات الجديدة التي قد يتم إغفالها لولا ذلك. ومن خلال التركيز على الأحداث التي يرتد فيها جسيم جديد مقابل فوتون مرئي أو نفاثة، استطاع الفريق خفض عتبة الطاقة لبحثهم، مما وسع الشبكة فعلياً للإمساك بجسيمات تتراوح كتلتها بين 200 و650 مليار إلكترون فولت.
قام الباحثون بتحليل مجموعة ضخمة من البيانات التي جُمعت على مدار أربع سنوات، والتي تمثل 140 فيمتو فرنباك من تصادمات بروتون-بروتون. وقد قاموا بفرز هذه التصادمات إلى أربع فئات متميزة بناءً على ما تم إنتاجه جنباً إلى جنب مع الجسيم الجديد المحتمل. بحثت فئتان في حالة اقتران فوتون مع اثنتين من نفاثات الجسيمات، بينما بحثت الفئتان الأخريان في حالة اقتران نفاثة مع اثنتين من النفاثات الأخرى. وضمن فئات زوج النفاثات، قسموا البحث أيضاً إلى مجموعتين: إحداهما بحثت في جميع النفاثات بغض النظر عن تركيبها الداخلي، والأخرى بحثت تحديداً في النفاثات التي تحتوي على كواركات "الجمال" (beauty quarks) الثقيلة. كان هذا التمييز مهماً لأن بعض النماذج النظرية تشير إلى أن الجسيمات الجديدة قد تفضل التحلل إلى هذه الكواركات الأثقل، وعزلها يساعد في تقليل ضجيج الخلفية الهائل لتصادمات الجسيمات العادية.
تضمن جوهر البحث إعادة بناء كتلة النفاثتين في كل حدث. فإذا كان قد تم إنشاء جسيم جديد وتحلل إلى تلك النفاثات، فستظهر البيانات "نتوءاً" مميزاً، أو زيادة موضعية، عند قيمة كتلة محددة ترتفع فوق المنحنى السلس والمتوقع لأحداث الخلفية. استخدم الفريق أدوات إحصائية متطورة لمقارنة البيانات الفعلية مقابل الخلفية المتوقعة، والتي تم نمذجتها باستخدام دالة رياضية سلسة مستمدة من البيانات نفسها. وقد مسحوا نطاق الكتلة بأكره من 200 إلى 650 مليار إلكترون فولت، بحثاً عن أي علامة لـ "نتوء" لا يمكن تفسيره بالصدفة أو بالفيزياء المعروفة.
وكانت النتيجة غياباً واضحاً لأي إشارة من هذا القبيل. ففي كل قناة فحصوها، اتبعت البيانات المنحنى السلس الذي يتنبأ به النموذج القياسي بدقة ملحوظة. لم تكن هناك نتوءات، ولا تجمعات غير متوقعة للأحداث، ولا دليل على وجود جسيم جديد يتحلل إلى نفاثتين بالتزامن مع فوتون أو نفاثة. كانت أكثر التقلبات أهمية التي رصدوها صغيرة ومتسقة مع التباينات الإحصائية العشوائية، وهي ضعيفة جداً بحيث لا يمكن اعتبارها اكتشافاً. وبناءً على ذلك، لم يجد الفريق جسيماً جديداً، لكنهم حققوا شيئاً لا يقل قيمة: فقد وضعوا حدوداً قصوى صارمة لمدى تكرار وجود مثل هذا الجسيم؛ حيث حددوا أنه إذا كانت جسيمات "زد-برايم" هذه موجودة بالفعل، فيجب أن تُنتج بوتيرة أقل من عتبة معينة، مما أدى فعلياً إلى استبعاد مجموعة واسعة من النماذج النظرية التي تنبأت بإشارات أقوى.
توسع هذه الدراسة نطاق عمليات البحث السابقة، مما يدفع بالقيود المفروضة على هذه الجسيمات الافتراضية إلى نطاق كتلة كان من الصعب سبر أغواره بدقة عالية سابقاً. ومن خلال الجمع بين مجموعة البيانات الكاملة من التشغيل الثاني لمصادم الهادرونات الكبير مع تقنيات تحليل محسنة، بما في ذلك طرق أفضل لتحديد الكواركات الثقيلة واستراتيجيات مطورة للتعامل مع التعقيدات الحسابية لمتعدد النفاثات، نجح الفريق في تضييق الخناق على هذه الاحتمالات النظرية. وتؤكد النتائج أنه ضمن نطاق الكتلة من 200 إلى 650 مليار إلكترون فولت، لا توجد رنينات جديدة مختبئة في البيانات. وبينما يستمر البحث عن القطع المفقودة في أحجية الكون، فإن هذا العمل يضمن أن البحث سيتعين عليه البحث في مكان آخر أو عند طاقات أعلى، مما يرسم المسار نحو الجيل القادم من الاكتشافات.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.