Search for resonant and nonresonant production of pairs of dijet resonances with b jets in the final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Das Universum ist auf einem Satz von Regeln aufgebaut, der als Standardmodell bekannt ist – ein Rahmenwerk, das die elementaren Teilchen und Kräfte, aus denen alles besteht, was wir sehen, erfolgreich beschreibt. Dennoch wissen Physiker, dass dieses Bild unvollständig ist. Es kann weder die Gravitation noch die Natur der Dunklen Materie oder die Frage, warum es im Kosmos mehr Materie als Antimaterie gibt, erklären. Um die fehlenden Teile zu finden, lassen Wissenschaftler am Large Hadron Collider Protonen bei nahezu Lichtgeschwindigkeit zusammenprallen, wodurch ein Schauer neuer Teilchen entsteht, der eine verborgene Schicht der Realität offenbaren könnte. Zu den vielversprechendsten Theorien gehören solche, die die Existenz schwerer, instabiler Teilchen vorhersagen, die in Jets aus gewöhnlicher Materie zerfallen. Während Wissenschaftler schon lange nach einzelnen schweren Teilchen suchen, die auseinanderbrechen, beinhaltet ein komplexeres Szenario die Erzeugung von Paaren dieser schweren Teilchen, die sich dann in noch mehr Trümmer zerlegen. Diese spezifische Suche sucht nach einer seltenen Signatur: zwei Paaren von Teilchen-Jets, wobei jedes Paar ein schweres Bottom-Quark enthält – eine Art von Materie, die schwerer und seltener ist als die alltäglichen Protonen und Neutronen unserer Welt.

In einer kürzlich durchgeführten Studie untersuchte die CMS-Kollaboration am CERN eine riesige Sammlung von Kollisionsdaten, um nach diesen schwer fassbaren Paaren zu suchen. Sie analysierten 1ata 138 Einheiten von Daten, bekannt als Femtobarn, die bei Proton-Proton-Kollisionen mit einer Energie von 13 Tera-Elektronenvolt gesammelt wurden. Das Team suchte nach zwei unterschiedlichen Möglichkeiten. Die erste war ein nicht-resonanter Prozess, bei dem zwei schwere Teilchen unabhängig und gleichzeitig erzeugt werden, wobei jedes in ein Bottom-Quark und ein leichteres Quark zerfällt. Die zweite Möglichkeit beinhaltete einen resonanten Prozess, bei dem zuerst ein einzelnes, noch schwereres Elternteilchen erzeugt wird, welches sich dann in die zwei Zwischenteilchen aufspaltet, bevor diese weiter zerfallen. In beiden Szenarien wäre das Endergebnis vier distinkte Jets aus Energie, von denen zwei aus Bottom-Quarks stammen. Die Forscher verwendeten hochentwickelte Algorithmen, um diese Bottom-Quarks zu identifizieren und die Masse der ursprünglichen Teilchen aus der Energie der resultierenden Jets zu rekonstruieren.

Die Analyse konzentrierte sich darauf, einen „Bump“ oder ein lokalisiertes Übergewicht in den Daten zu finden, das aus dem glatten, vorhersehbaren Hintergrund gewöhnlicher Teilchenkollisionen hervorsticht. Das Hintergrundrauschen ist immens, erzeugt durch die ständige Produktion von Jets in Standard-Quanteninteraktionen, aber die Forscher entwickelten eine Methode, um diesen Hintergrund direkt aus den Daten selbst zu modellieren, anstatt sich ausschließlich auf theoretische Vorhersagen zu verlassen. Sie sortierten die Ereignisse basierend auf dem Verhältnis der Masse der Zwei-Jet-Paare zur Gesamtmasse aller vier Jets, eine Technik, die half, potenzielle Signale vom überwältigenden Hintergrund zu trennen. Nach der Durchsiebung der Daten fand das Team keine eindeutigen Beweise für neue Teilchen. Die Ergebnisse zeigten keinen klaren, statistisch signifikanten Peak, der die Existenz der vorhergesagten schweren Resonanzen bestätigen würde.

Jedoch erlaubte das Ausbleiben einer Entdeckung den Wissenschaftlern, strikte Grenzen für das zu setzen, was existieren kann. Sie bestimmten, dass, falls bestimmte Arten von schweren Teilchen – speziell jene, die durch ein Modell unter Verletzung einer Symmetrie namens R-Parität vorhergesagt werden – existieren, sie schwerer als 0, 8 Tera-Elektronenvolt sein müssen. Dieser Befund schließt effektiv die Existenz dieser Teilchen in dem niedrigeren Massenbereich aus, den vorangegangene Experimente noch nicht vollständig untersucht hatten. Ähnlich schlossen die Daten für die resonante Suche nach schweren Diquark-Teilchen Massen zwischen 2 und 7 Tera-Elektronenvolt aus. Diese Grenzwerte sind die ersten ihrer Art für diese spezifische Art von Teilchenzerfall unter Einbeziehung von Bottom-Quarks und verschieben die Grenze dessen, was über die mögliche Masse neuer Physik bekannt ist.

Obwohl die Hauptsuche leer ausging, enthielten die Daten einige faszinierende Fluktuationen. Bei der Suche nach nicht-resonanter Produktion erschien die merklichste Abweichung vom erwarteten Hintergrund bei einer Masse von 1,0 Tera-Elektronenvolt mit einer statistischen Signifikanz von 2,1 Standardabweichungen. In der resonanten Suche wurde eine etwas größere Fluktuation bei einer Vier-Jet-Masse von 3,1 Tera-Elektronenvolt beobachtet, was einer Signifikanz von 2,6 Standardabweichungen entspricht. In der Sprache der Teilchenphysik bedeuten diese Zahlen, dass die Daten zwar an diesen spezifischen Punkten etwas anders als die Hintergrundvorhersage aussahen, der Effekt jedoch nicht stark genug ist, um als Entdeckung zu gelten. Solche Fluktuationen treten gelegentlich aufgrund zufälliger statistischer Variationen auf, und die Forscher betonen, dass sie keinen Beweis für neue Teilchen darstellen.

Die Studie hob auch ein spezifisches Ereignis mit der höchsten im Datensatz aufgezeichneten Energie hervor, bei dem die vier Jets zu einer Masse von 5,5 Tera-Elektronenvolt kombinierten. Dieses einzelne Ereignis, das im Jahr 2018 auftrat, enthielt zwei Paare von Jets, die in ihrer Masse nahezu identisch waren und in einer Weise ausgerichtet waren, die den theoretischen Erwartungen für das Signal entsprach. Trotz seines auffälligen Erscheinungsbildes reichte dieses Ereignis nicht aus, um die Gesamtschlussfolgerung zu revidieren, da der Rest der Daten kein konsistentes Signal auf diesem Energieniveau unterstützte. Die Forscher merkten an, dass dieses Ereignis im Hochmassen-Tail der Verteilung auftrat, einer Region, in der statistische Fluktuationen wahrscheinlicher sind.

Letztendlich stellt diese Arbeit einen bedeutenden Schritt nach vorn in der Suche nach Physik jenseits des Standardmodells dar. Indem sie die Suche auf die Einbeziehung von Bottom-Quarks ausgedehnt und dabei einen weiten Massenbereich abgedeckt hat, hat die Kollaboration mehrere theoretische Möglichkeiten geschlossen, die zuvor offen standen. Die Ergebnisse liefern eine klarere Karte der Energielandschaft und sagen den Wissenschaftlern, wo keine neuen Teilchen sind, was genauso wertvoll ist wie zu finden, wo sie sein könnten. Die Suche geht weiter, während der Large Hadron Collider weitere Daten sammelt, aber für den Moment bleibt das Universum hinsichtlich der Existenz dieser spezifischen schweren Teilchenpaare stumm.