Search for ttbar resonances in final states with exactly one or two leptons using 140 fb of pp collision data at TeV with the ATLAS experiment
حللت تجربة ATLAS بيانات تصادمات بروتون-بروتون بطاقة 13 تريليون إلكترون فولت وبكمية 140 فمتوبار عكسي (fb) في حالات نهائية تحتوي على لبتون واحد أو اثنين للبحث عن رنينات ثقيلة ذات سبين-1 وسبين-2 تتحلل إلى أزواج من الكواركات (توب-أنتيتوب)، حيث لم تجد أي انحراف معنوي عن النموذج القياسي ووضعت حدود استبعاد لبوزونات الافتراضية، وجرافيتونات كالوزا-كلاين، وغلوونات كالوزا-كلاين.
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 قرنًا في رسم خرائطها. هذه الخريطة، المعروفة باسم النموذج القياسي، تشرح بنجاح كيفية تفاعل لبنات بناء المادة المعروفة. ومع ذلك، فهي غير مكتملة؛ فهي تغفل الجاذبية، وهي القوة التي تبقي الكواكب في مداراتها، ولا تقدم أي تفسير لسبب كون بعض الجسيمات ثقيلة للغاية بينما أخرى تكاد تكون عديمة الوزن. لسد هذه الفجوات، اقترح العلماء وجود جسيمات أثقل وغير مكتشفة تكمن وراء نطاق قدرتنا الحالية. ستكون هذه الجسيمات الافتراضية ضخمة، وأثقل بكثير من أي شيء صنعناه على الإطلاق، وقد تتحلل إلى أزواج من كواركات القمة (top quarks)، وهي أثقل الجسيمات الأولية المعروفة. إن العثور على مثل هذا الجسيم الثقيل سيكون اكتشافًا هائلًا، مما يشير إلى أن قوانين الطبيعة أغنى وأكثر تعقيدًا مما توحي به نظرياتنا الحالية.
ولاصطياد هذه العمالقة المراوغة، يقوم تجربة "أطلس" (ATLAS) في مصادم الهادرونات الكبير في سويسرا بصدم البروتونات معًا بسرعة تقترب من سرعة الضوء. عندما تتصادم هذه البروتونات، فإنها تطلق طاقة كافية لإنشاء جسيمات ثقيلة لا توجد في الطبيعة تحت الظروف العادية لفترة وجيزة. إذا وُلد جسيم ثقيل جديد في مثل هذا التصادم، فإنه سيتفكك فورًا تقريبًا إلى زوج من كواركات القمة. ويكمن التحدي في أن كواركات القمة غير مستقرة وتتحلل فورًا إلى جسيمات أخرى، مما يخلق رذاذًا فوضويًا من الحطام يصعب تمييزه عن مليارات الاصطدامات العادية التي تحدث كل ثانية. يجب على الباحثين غربلة هذا الضجيج، بحثًا عن بصمة محددة: زوج من كواركات القمة يبدو وكأنه ناتج عن مصدر واحد ضخم بدلاً من الفوضى العشوائية للاصطدامات القياسية.
قام فريق من العلماء باستخدام كاشف "أطلس" الآن بإجراء البحث الأكثر شمولاً حتى الآن عن هذه الرنينات الثقيلة. حللوا مجموعة بيانات ضخمة تحتوي على 140 فيمتوفارن عكسي من بيانات التصادم، جُمعت على مدار عدة سنوات عند مستوى طاقة يبلغ 13 تيرا إلكترون فولت. ويمثل هذا المجموعة الكاملة من البيانات من التشغيل الرئيسي الثاني للمصادم. ركز الفريق على طريقتين محددتين لتحلل كواركات القمة: إحداهما حيث يتم إنتاج إلكترون أو ميون واحد إلى جانب جسيمات أخرى، والأخرى حيث يتم إنتاج جسيمين من هذا النوع. ومن خلال الجمع بين هذين النهجين، تمكنوا من البحث عن إشارات عبر نطاق واسع من الكتل، من 400 جيجا إلكترون فولت حتى 5 تيرا إلكترون فولت. كانوا يبحثون عن جسيمات قد تكون إما ضيقة جدًا، تظهر كقمة حادة في البيانات، أو عريضة جدًا، تظهر كتلة متموجة لطيفة.
بنى الباحثون نموذجًا حاسوبيًا مفصلاً لما ينبغي أن يكون عليه الكون إذا كانت جسيمات النموذج القياسي المعروفة هي الوحيدة الموجودة. ثم قارنوا هذا النموذج بالبيانات الفعلية التي سجلها الكاشف. بحثوا عن أي انحراف، أي مكان تظهر فيه البيانات الحقيقية أحداثًا أكثر مما يتنبأ به النموذج، مما قد يشير إلى وجود جسيم جديد. وبعد المحاسبة الدقيقة لكل مصدر معروف للخطأ وعدم اليقين، بدءًا من الطريقة التي يقيس بها الكاشف الطاقة وصولًا إلى الحسابات النظرية لكيفية سلوك الجسيمات، لم يجدوا مثل هذا الانحراف. لقد تطابقت البيانات مع تنبؤات النموذج القياسي تمامًا عبر كامل طيف الكتلة الذي فحصوه.
ولأنهم لم يعثروا على جسيمات جديدة، لم يبلغ الفريق عن اكتشاف، بل قدموا بدلاً من ذلك مجموعة من الحدود الصارمة. فقد وضعوا قواعد مفادها أنه إذا وجدت أنواع معينة من الجسيمات الثقيلة، فلا يمكن أن تكون أخف من حدود كتلة محددة. على سبيل المثال، استبعدوا وجود نوع معين من الجسيمات الثقيلة، المعروف باسم بوزون "زد-برايم" (Z-prime boson)، بكتلة تصل إلى 4.2 تيرا إلكترون فولت إذا كان ضيقًا، أو حتى 3.65 تيرا إلكترون فولت إذا كان أعرض قليلاً. كما استبعدوا نوعًا آخر من الجسيمات الثقيلة، وهو "غلون كالوزا-كلاين" (Kaluza-Klein gluon)، بكتل تصل إلى 4.1 تيرا إلكترون فولت. وبالنسبة لمرشح آخر، وهو "جرافيتون كالوزا-كلاين" (Kaluza-Klein graviton)، فقد استبعدوا كتلًا تصل إلى 1.3 تيرا إلكترون فولت. وهذه الحدود هي الأكثر صرامة على الإطلاق لهذه الأنواع المحددة من الجسيمات في قنوات التحلل التي درسوها.
غطى البحث مجموعة متنوعة من الاحتمالات النظرية، بما في ذلك النماذج التي تقترح وجود أبعاد إضافية للمكان أو قوى جديدة تتفاعل بقوة مع كوارك القمة. وبينما لا تؤكد النتائج وجود هذه الجسيمات الجديدة، إلا أنها توفر دليلًا حاسمًا للمستقبل. فمن خلال إخبار العلماء بمكان عدم وجود هذه الجسيمات بالضبط، تعمل الدراسة على تضييق مجال الاحتمالات. إنها تدفع المنظرين لتنقيح أفكارهم، مما يدفع الكتلة المحتملة لهذه الجسيمات الجديدة إلى مستويات أعلى أو يشير إلى أنها قد تتفاعل بطرق تجعل اكتشافها أكثر صعوبة. ويقف هذا العمل كشهادة على قوة القياس الدقيق، مثبتًا أنه حتى في غياب الاكتشاف، فإن معرفة ما ليس موجودًا هي خطوة حيوية نحو فهم ما هو موجود.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.