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

L'universo è costruito su un insieme di regole note come Modello Standard, un quadro che descrive con successo le particelle fondamentali e le forze che compongono tutto ciò che vediamo. Eppure, i fisici sanno che questa immagine è incompleta. Non può spiegare la gravità, la natura della materia oscura o il motivo per cui ci sia più materia che antimateria nel cosmo. Per trovare i pezzi mancanti, gli scienziati del Large Hadron Collider fanno scontrare protoni a velocità quasi pari a quella della luce, creando una pioggia di nuove particelle che potrebbero rivelare uno strato nascosto della realtà. Tra le teorie più promettenti vi sono quelle che prevedono l'esistenza di particelle pesanti e instabili che decadono in getti di materia ordinaria. Mentre gli scienziati cercano da tempo la rottura di singole particelle pesanti, uno scenario più complesso coinvolge la creazione di coppie di queste particelle pesanti, che poi si frammentano in ancora più detriti. Questa ricerca specifica cerca una firma rara: due coppie di getti di particelle, dove ogni coppia contiene un pesante quark bottom, un tipo di materia che è più pesante e raro dei comuni protoni e neutroni del nostro mondo quotidiano.

In uno studio recente, la Collaborazione CMS al CERN ha esaminato una vasta collezione di dati di collisione per dare la caccia a queste elusive coppie. Hanno analizzato 138 unità di dati, note come femtobarn, raccolte da collisioni protone-protone a un'energia di 13 tera-elettronvolt. Il team cercava due possibilità distinte. La prima era un processo non risonante, in cui due particelle pesanti vengono create indipendentemente e simultaneamente, ciascuna delle quali decade in un quark bottom e un quark più leggero. La seconda possibilità coinvolgeva un processo risonante, in cui una singola particella madre, ancora più pesante, viene creata prima, la quale poi si divide nelle due particelle intermedie prima che queste decadano ulteriormente. In entrambi gli scenari, il risultato finale sarebbe quattro distinti getti di energia, di cui due originati da quark bottom. I ricercatori hanno utilizzato algoritmi sofisticati per identificare questi quark bottom e per ricostruire la massa delle particelle originali a partire dall'energia dei getti risultanti.

L'analisi si è concentrata sulla ricerca di un "bump" o un eccesso localizzato nei dati che si distinguesse rispetto al fondo liscio e prevedibile delle collisioni di particelle ordinarie. Il rumore di fondo è immenso, generato dalla costante produzione di getti nelle interazioni quantistiche standard, ma i ricercatori hanno sviluppato un metodo per modellare questo fondo direttamente dai dati stessi, piuttosto che fare affidamento esclusivamente sulle previsioni teoriche. Hanno classificato gli eventi in base al rapporto tra la massa delle coppie di due getti e la massa totale di tutti i quattro getti, una tecnica che ha aiutato a separare i potenziali segnali dal background schiacciante. Dopo aver setacciato i dati, il team non ha trovato prove definitive di nuove particelle. I risultati non hanno mostrato un picco chiaro e statisticamente significativo che confermasse l'esistenza delle previste risonanze pesanti.

Tuttavia, l'assenza di una scoperta ha permesso agli scienziati di stabilire confini rigorosi su ciò che potrebbe esistere. Hanno determinato che se certi tipi di particelle pesanti, specificamente quelle previste da un modello che coinvolge la violazione di una simmetria chiamata R-parity, esistono, devono essere più pesanti di 0,8 tera-elettronvolt. Questa scoperta esclude efficacemente l'esistenza di queste particelle nell'intervallo di massa inferiore che esperimenti precedenti non avevano ancora esplorato appieno. Allo stesso modo, la ricerca risonante riguardante le particelle di heavy diquark ha escluso masse tra 2 e 7 tera-elettronvolt. Questi limiti sono i primi del loro genere per questo specifico tipo di decadimento di particelle che coinvolge i quark bottom, spingendo la frontiera di ciò che è noto riguardo alla possibile massa della nuova fisica.

Sebbene la ricerca principale sia rimasta a vuoto, i dati contenevano alcune intriganti fluttuazioni. Nella ricerca della produzione non risonante, la deviazione più evidente dal background atteso è apparsa a una massa di 1,0 tera-elettronvolt, con una significatività statistica di 2,1 deviazioni standard. Nella ricerca risonante, è stata osservata una fluttuazione leggermente maggiore a una massa a quattro getti di 3,1 tera-elettronvolt, corrispondente a una significatività di 2,6 deviazioni standard. Nel linguaggio della fisica delle particelle, questi numeri indicano che, sebbene i dati sembrassero leggermente diversi dalla previsione del background in questi punti specifici, l'effetto non è abbastanza forte da essere considerato una scoperta. Tali fluttuazioni si verificano occasionalmente a causa di variazioni statistiche casuali, e i ricercatori sottolineano che esse non costituiscono la prova di nuove particelle.

Lo studio ha anche evidenziato un evento specifico con l'energia più alta registrata nel dataset, dove i quattro getti combinati raggiungevano una massa di 5,5 tera-elettronvolt. Questo singolo evento, avvenuto nel 2018, conteneva due coppie di getti quasi identiche in massa e allineate in un modo che corrispondeva alle aspettative teoriche per il segnale. Nonostante il suo aspetto sorprendente, questo evento non è stato sufficiente a ribaltare la conclusione generale, poiché il resto dei dati non supportava un segnale coerente a quell'energia. I ricercatori hanno notato che questo evento appariva nella coda ad alta massa della distribuzione, una regione in cui le fluttuazioni statistiche sono più probabili.

In definitiva, questo lavoro rappresenta un passo avanti significativo nella ricerca della fisica oltre il Modello Standard. Estendendo la ricerca per includere i quark bottom e coprendo un ampio intervallo di masse, la collaborazione ha chiuso la porta a diverse possibilità teoriche che erano precedentemente aperte. I risultati forniscono una mappa più chiara del panorama energetico, indicando agli scienziati dove non si trovano le nuove particelle, il che è altrettanto prezioso quanto trovare dove potrebbero esserci. La ricerca continua, con il Large Hadron Collider che raccoglie ulteriori dati, ma per ora, l'universo rimane silenzioso sull'esistenza di queste specifiche coppie di particelle pesanti.