Search for resonant and nonresonant production of pairs of dijet resonances with b jets in the final state in proton-proton collisions at = 13 TeV
باستخدام 136 فمتوبار معكوس على 13 تيرالترابايت من بيانات تصادمات بروتون-بروتون عند طاقة 13 تيرالترالترابايت، يقدم تعاون CMS أول بحث عن الإنتاج الزوجي الرنيني وغير الرنيني لرنينات ثنائي النفاثات (dijet) التي تضم كواركات b وكواركات خفيفة النكهة، واضعاً حدود استبعاد لسكواركات التوب ونماذج ثنائي الكوارك مع ملاحظة زيادات محلية بمعايقات تصل إلى 2.6 انحراف معياري.
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 مجموعة من القواعد تُعرف بالنموذج القياسي، وهو إطار يصف بنجاح الجسيمات والقوى الأساسية التي تشكل كل ما نراه. ومع ذلك، يعلم الفيزيائيون أن هذه الصورة غير مكتملة؛ فهي لا تستطيع تفسير الجاذبية، أو طبيعة المادة المظلمة، أو سبب وجود مادة أكثر من المادة المضادة في الكون. ولإيجاد القطع المفقودة، يقوم العلماء في مصادم الهادرونات الكبير بصدم البروتونات مع بعضها البعض بسرعة تقارب سرعة الضوء، مما يخيد شلالاً من الجسيمات الجديدة التي قد تكشف عن طبقة خفية من الواقع. ومن بين النظريات الأكثر واعدة هي تلك التي تتنبأ بوجود جسيمات ثقيلة وغير مستقرة تتحلل إلى نفاثات من المادة العادية. وبينما بحث العلماء لفترة طويلة عن جسيمات ثقيلة مفردة تتفكك، فإن هناك سيناريو أكثر تعقيداً يتضمن خلق أزواج من هذه الجسيمات الثقيلة، والتي تتفكك بعد ذلك إلى المزيد من الحطام. يبحث هذا البحث المحدد عن بصمة نادرة: زوجان من النفاثات الجسيمية، حيث يحتوي كل زوج على كوارك قاع (bottom quark) ثقيل، وهو نوع من المادة أثقل وأندر من البروتونات والنيوترونات الشائعة في عالمنا اليومي.
في دراسة حديثة، فحص تعاون CMS في سيرن (CERN) مجموعة ضخمة من بيانات التصادم للبحث عن هذه الأزواج المراوغة. قاموا بتحليل 138 وحدة من البيانات، تُعرف بالفيمتوبارن (femtobarns)، جُمعت من تصادمات بروتون-بروتون عند طاقة تبلغ 13 تيرا إلكترون فولت. كان الفريق يبحث عن احتمالين متميزين. الأول هو عملية غير رنينية (nonresonant process)، حيث يتم إنشاء جسيمين ثقيلين بشكل مستقل ومتزامن، حيث يتحلل كل منهما إلى كوارك قاع وكوارك أخف. أما الاحتمال الثاني فتضمن عملية رنينية (resonant process)، حيث يتم إنشاء جسيم أب واحد أكثر ثقلاً أولاً، والذي ينقسم بعد ذلك إلى الجسيمين المتوسطين قبل أن يتحللا بشكل أكبر. وفي كلا السيناريوهين، ستكون النتيجة النهائية هي أربع نفاثات متميزة من الطاقة، اثنتان منها تنبعان من كواركات القاع. واستخدم الباحثون خوارمازميات متطورة لتحديد كواركات القاع هذه وإعادة بناء كتلة الجسيمات الأصلية من طاقة النفاثات الناتجة.
ركز التحليل على إيجاد "نتوء" أو زيادة موضعية في البيانات تبرز مقابل الخلفية السلسة والمتوقعة لتصادمات الجسيمات العادية. إن ضجيج الخلفية هائل، ناتج عن الإنتاج المستمر للنفاثات في التفاعلات الكمومية القياسية، لكن الباحثين طوروا طريقة لنمذجة هذه الخلفية مباشرة من البيانات نفسها، بدلاً من الاعتماد فقط على التنبؤات النظرية. قاموا بفرز الأحداث بناءً على نسبة كتلة أزواج النفاثات الثنائية إلى الكتلة الإجمالية لجميع النفاثات الأربعة، وهي تقنية ساعدت في فصل الإشارات المحتملة عن الخلفية الطاغية. وبعد غربلة البيانات، لم يجد الفريق أي دليل قاطع على وجود جسيمات جديدة. لم تظهر النتائج ذروة واضحة وذات دلالة إحصائية تؤكد وجود الرنينات الثقيلة المتوقعة.
ومع ذلك، فإن غياب الاكتشاف سمح للعلماء بوضع حدود صارمة على ما يمكن أن يوجد. فقد حددوا أنه إذا كانت أنواع معينة من الجسيمات الثقيلة، وتحديداً تلك المتوقعة في نموذج يتضمن انتهاك تناظر يُسمى "R-parity"، موجودة بالفعل، فيجب أن تكون كتلتها أكبر من 0.8 تيرا إلكترون فولت. هذا الاكتشاف يستبعد فعلياً وجود هذه الجسيمات في نطاق الكتلة المنخفض الذي لم تستكشفه التجارب السابقة بالكامل بعد. وبالمثل، استبعد البحث الرنيني المتعلق بجسيمات "الدي كوارك" (diquark) الثقيلة كتلًا تتراوح بين 2 و7 تيرا إلكترون فولت. هذه الحدود هي الأولى من نوعها لهذا النوع المحدد من تحلل الجسيمات الذي يتضمن كواركات القاع، مما يدفع حدود ما هو معروف حول الكتلة المحتملة للفيزياء الجديدة.
وعلى الرغم من أن البحث الرئيسي لم يسفر عن نتيجة، إلا أن البيانات احتوت على بعض التقلبات المثيرة للاهتمام. ففي البحث عن الإنتاج غير الرنيني، ظهر أوضح انحراف عن الخلفية المتوقعة عند كتلة قدرها 1.0 تيرا إلكترون فولت، بدلالة إحصائية بلغت 2.1 انحراف معياري. وفي البحث الرنيني، لوحظ تقلب أكبر قليلاً عند كتلة مكونة من أربع نفاثات تبلغ 3.1 تيرا إلكترون فولت، بما يقابل دلالة قدرها 2.6 انحراف معياري. بلغة فيزياء الجسيمات، تشير هذه الأرقام إلى أنه بينما بدت البيانات مختلفة قليلاً عن توقعات الخلفية عند هذه النقاط المحددة، إلا أن التأثير ليس قوياً بما يكفي لاعتباره اكتشافاً. مثل هذه التقلبات تحدث عرضياً بسبب الاختلافات الإحصائية العشوائية، ويؤكد الباحثون أنها لا تشكل دليلاً على وجود جسيمات جديدة.
كما سلطت الدراسة الضوء على حدث محدد سجل أعلى طاقة في مجموعة البيانات، حيث بلغت كتلة النفاثات الأربع معاً 5.5 تيرا إلكترون فولت. هذا الحدث الوحيد، الذي وقع في عام 2018، احتوى على زوجين من النفاثات متطابقين تقريباً في الكتلة ومتوافقين في طريقة ترتيبهما بما يطابق التوقعات النظرية للإشارة. ورغم مظهره المثير للاهتمام، لم يكن هذا الحدث كافياً لقلب الاستنتاج العام، حيث لم تدعم بقية البيانات إشارة متسقة عند مستوى الطاقة هذا. وأشار الباحثون إلى أن هذا الحدث ظهر في ذيل التوزيع عالي الكتلة، وهي منطقة يزداد فيها احتمال حدوث التقلبات الإحصائية.
في الختام، يمثل هذا العمل خطوة مهمة للأمام في البحث عن فيزياء ما وراء النموذج القياسي. فمن خلال توسيع نطاق البحث ليشمل كواركات القاع وتغطية نطاق واسع من الكتل، نجح التعاون في إغلاق الباب أمام عدة احتمالات نظرية كانت مفتوحة سابقاً. توفر النتائج خريطة أوضح للمشهد الطاقي، حيث تخبر العلماء أين لا توجد جسيمات جديدة، وهو أمر لا يقل قيمة عن إخبارهم بمكان وجودها المحتمل. يستمر البحث مع جمع المزيد من البيانات في مصادم الهادرونات الكبير، ولكن في الوقت الحالي، يظل الكون صامتاً بشأن وجود أزواج الجسيمات الثقيلة هذه تحديداً.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.