Search for resonant and nonresonant production of pairs of dijet resonances in proton-proton collisions at = 13 TeV
Unter Verwendung von 138 fb an 13-TeV-Proton-Proton-Kollisionsdaten führte die CMS-Kollaboration eine Suche nach resonanter und nicht-resonanter Produktion von Dijet-Resonanzpaaren durch, wobei neue Grenzwerte für Diquark- und Top-Squark-Modelle festgelegt wurden, während lokale Exzesse mit Signifikanzen von 3,9 und 3,6 Standardabweichungen beobachtet wurden, die global jedoch statistisch unbedeutend bleiben.
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Das Universum ist auf einem Satz von Regeln aufgebaut, der als Standardmodell bekannt ist – ein Rahmenwerk, das die fundamentalen Teilchen und Kräfte erfolgreich beschreibt, aus denen alles, was wir sehen, besteht. Dennoch wissen Physiker, dass diese Karte unvollständig ist. Sie erklärt weder die Gravitation, noch die Natur der Dunklen Materie oder warum das Universum aus Materie statt aus Antimaterie besteht. Um die fehlenden Teile zu finden, lassen Wissenschaftler am Large Hadron Collider Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zusammenprallen, wodurch eine chaotische Wolke aus Trümmern entsteht. Sie durchsieben diesen Trümmerregen auf der Suche nach Mustern, die nicht den bekannten Regeln entsprechen, und suchen nach neuen, schweren Teilchen, die möglicherweise während der Kollision entstanden sind und dann sofort in Jets aus gewöhnlicher Materie zerfallen sind.
In einer kürzlich durchgeführten Studie richtete die CMS-Kollaboration am CERN ihre Aufmerksamkeit auf ein spezifisches, komplexes Szenario: die gleichzeitige Erzeugung zweier neuer Teilchen, von denen jedes sofort in ein Paar Jets zerfällt. Dies ist eine kompliziertere Suche als die Suche nach einem einzelnen neuen Teilchen, da es die gleichzeitige Erscheinung von vier Jets an Energie beinhaltet. Die Forscher analysierten Daten aus 138 Billionen Proton-Proton-Kollisionen und suchen dabei nach zwei unterschiedlichen Möglichkeiten. Die erste war ein „resonanter“ Prozess, bei dem ein massives, unsichtbares Elternteilchen in zwei identische neue Teilchen zerfällt. Der zweite war ein „nicht-resonanter“ Prozess, bei dem die zwei neuen Teilchen unabhängig voneinander entstehen, ohne ein Elternteil zu haben. Durch die Untersuchung der Massen dieser Vier-Jet-Cluster setzte das Team strenge Grenzen für dessen, was an neuen Teilchen existieren kann, wodurch es viele theoretische Ideen effektiv ausschloss, während es einige wenige faszinierende Möglichkeiten am Leben erhielt.
Die Suche konzentrierte sich auf zwei spezifische Arten hypothetischer Teilchen. Für die resonante Suche suchte das Team nach einem schweren Teilchen namens Diquark, das in zwei „vektorähnliche Quarks“ zerfallen würde, von denen wiederum jedes in ein Jet-Paar aufspaltet. Für die nicht-resonante Suche suchten sie nach Paaren von „Top-Squarks“, die durch eine Theorie namens Supersymmetrie vorhergesagt werden. Die Daten wurden verarbeitet, indem die Pfade und Energien der Teilchen rekonstruiert, sie zu Paaren gruppiert und anschließend die Gesamtmasse der vier Jets berechnet wurden. Das Team musste äußerst sorgfältig vorgehen, um ein echtes Signal vom überwältigenden Hintergrund gewöhnlicher Teilcheninteraktionen zu unterscheiden, die natürlicherweise vier Jets erzeugen, aber eine glatte, vorhersehbare Massenverteilung aufweisen.
Die Ergebnisse waren eine Mischung aus Ausschluss und tantalischen Hinweisen. Bei der Suche nach dem schweren Diquark fanden die Forscher keinen Beweis für ein neues Teilchen, konnten jedoch die Existenz von Diquarks mit Massen unter 7,6 Billionen Elektronenvolt für ein spezifisches Modell-Szenario ausschließen. Dies ist eine bedeutende Errungenschaft, da es die Grenze dessen, wo neue Physik sich verbergen kann, auf wesentlich höhere Energieskalen verschiebt, als zuvor getestet wurde. Ähnlich verhielt es sich bei der Suche nach Top-Squarks, bei der das Team Massen zwischen 0,50 und 0,77 Billionen Elektronenvolt ausschloss, wobei nur eine winzige Lücke verblieb. Diese Ergebnisse erweitern die durch frühere Experimente gesetzten Grenzen erheblich und verengen das Fenster, in dem diese theoretischen Teilchen gefunden werden könnten.
Trotz des Fehlens einer definitiven Entdeckung enthielten die Daten zwei seltene Ereignisse, die aus dem Hintergrund hervorstachen. Diese Ereignisse traten im Hochmassen-Bereich der Verteilung auf, wo die Gesamtenergie der vier Jets bei etwa 8 Billionen Elektronenvolt und die Masse der beiden Jet-Paare bei etwa 2 Billionen Elektronenvolt lag. Wenn diese Ereignisse als Signal eines neuen Teilchens interpretiert würden, entsprächen sie einer statistischen Fluktuation mit einer lokalen Signifikanz von 3,9 Standardabweichungen. Wenn die Forscher jedoch berücksichtigten, dass sie über einen breiten Massenbereich suchten – ein Faktor, der als „Look-Elsewhere-Effekt“ bekannt ist –, sank die globale Signifikanz auf 1,6 Standardabweichungen. Dies bedeutet, dass die Ereignisse zwar interessant und einer weiteren Untersuchung würdig sind, aber noch nicht stark genug sind, um eine Entdeckung zu beanspruchen. Das Team merkte an, dass diese zwei Ereignisse, zusammen mit einem dritten isolierten Ereignis aus einer verwandten Analyse, potenziell durch eine breite, schwere Resonanz erklärt werden könnten, aber weitere Daten sind erforderlich, um dies zu bestätigen.
Die Studie untersuchte auch eine andere Art von Überschuss in der nicht-resonanten Suche. Bei einer durchschnittlichen Masse von 0,95 Billionen Elektronenvolt zeigten die Daten einen leichten Überschuss an Ereignissen im Vergleich zum vorhergesagten Hintergrund, mit einer lokalen Signifikanz von 3,6 Standardabweichungen. Nach Korrektur des Look-Elsewhere-Effekts pendelte sich die globale Signifikanz bei 2,5 Standardabweichungen ein. Dies ist ein bescheidener Überschuss, der auf eine mögliche Abweichung vom Standardmodell hindeutet, aber die Schwelle, die für eine Entdeckung erforderlich ist, nicht erreicht. Die Forscher betonten, dass diese Fluktuationen einfach statistische Zufälle sein könnten, und riefen zur Vorsicht bei der Interpretation als neue Physik ohne weitere Bestätigung auf.
Letztendlich dient diese Arbeit als strenger Filter für theoretische Modelle. Indem sie präzise Obergrenzen für die Produktion dieser Teilchenpaare festlegt, hat das CMS-Team den Theoretikern mitgeteilt, welche Versionen ihrer Ideen nicht länger lebensfähig sind. Der Ausschluss von Diquarks unter 7,6 Billionen Elektronenvolt und von Top-Squarks im Bereich von 0,50 bis 0,77 Billionen Elektronenvolt zwingt neue Modelle dazu, entweder schwerere Teilchen oder andere Interaktionsmechanismen vorherzusagen. Die wenigen Ereignisse, die in den Hochmassen-Bereichen auftauchten, dienen als Erinnerung daran, dass die Daten immer noch Überraschungen bergen, aber sie verdeutlichen auch die Schwierigkeit, ein wahres Signal vom Rauschen des Universums zu unterscheiden. Während der Large Hadron Collider weiterhin Daten sammelt, werden diese seltenen Ereignisse weiter untersucht und die Grenzen werden weiter nach oben verschoben, um den langsamen, stetigen Marsch hin zu einem tieferen Verständnis der fundamentalen Gesetze der Natur fortzusetzen.
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