Search for new scalars via $X \rightarrow SH \rightarrow b\bar{b}b\bar{b}$ in proton-proton collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

宇宙を巨大な、宇宙規模のレゴセットだと想像してみてください。何十年もの間、科学者たちはこのセットの中で最も重要なブロック、すなわちヒッグス粒子がどのような形をしているのかを正確に解明しようとしてきました。2012年に発見されたこの粒子は、他の粒子に質量を与え、現実の織りなす構造を繋ぎ止める「接着剤」のような存在です。しかし、ここに落とし穴があります。このレゴセットの標準的な説明書である「標準模型」には、いくつかのページが欠けているのです。標準模型では、ダークマター（銀河を繋ぎ止めている目に見えない物質）や、なぜ物質が反物質よりも多いのかといった現象を説明することができません。これらの欠落したページがあるため、物理学者たちは、まだ見つかっていない隠れた追加のブロック、つまり、すぐ目の前に隠れているかもしれない、より重い新しい粒子が存在するのではないかと疑っています。

この論文は、世界最強の粒子衝突装置である大型ハドロン衝突型加速器（LHC）に携わる、大規模な科学者チームによる報告書です。彼らは、非常に難易度の高い「隠れたブロック探し」のゲームに挑んでいます。具体的には、既知のヒッグス粒子と、新しい、より軽い謎の粒子（「サイドキック」と呼びましょう）へと崩壊する可能性のある、重い新粒子（「ビッグボス」と呼びましょう）を追い求めています。もしこの「ビッグボス」が存在すれば、それは新しい物理学の決定的な証拠となり、宇宙が現在の教科書が示すよりも複雑であることを証明することになります。チームは、非常に特定の、乱れたシグナルを探しています。それは、4つのボトムクォーク（電子の重くて短命な親戚のような微粒子）を生み出す衝突です。これは、膨大な背景ノイズの中から見つけ出すのが非常に困難なシグナルです。

偉大なる粒子探査： 「ビッグボス」と「サイドキック」を追え

ATLASコラボレーション（CERNのATLAS検出器を用いて研究を行う巨大な科学者チーム）は、これら捉えどころのない粒子に関する探索結果を最近発表しました。彼らは、2016年から2018年の間に収集された、陽子と陽子の衝突による膨大なデータセットを使用しました。これは、本質的には、ほぼ光速で微粒子同士を衝突させたものです。これは、驚異的なデータ量、約126から136逆フェムトバルン（衝突の回数を表す単位）に相当します。彼らが探していたのは、特定の事象です。すなわち、$X$ と名付けられた重いスカラー粒子が、標準模型のヒッグス粒子（$H$）と、新しいより軽いスカラー粒子（$S$）へと分裂する事象です。これら両方が直ちにペアのボトム・反ボトムクォークへと崩壊し、最終的に4つのボトムクォーク（$b\bar{b}b\bar{b}$）の状態をもたらします。

この実験を、巨大で混沌としたアイスクリームショップの中で、特定の珍しいフレーバーのアイスクリームを探すようなものだと考えてみてください。アイスクリームショップがLHCであり、「フレーバー」が4つのボトムクォークです。問題は、そのショップが非常に騒がしいことです。ほとんどの場合、あなたはバニラやチョコレートのスクープ（トップクォークやランダムな粒子のジェットといった一般的な背景事象）を受け取ることになります。その珍しいフレーバーを見つけるために、チームは非常に洗練されたフィルターを構築する必要がありました。

彼らは、どのように「ビッグボス」（$X$）と「サイドキック」（$S$）が重くなるかに応じて、探索を2つの異なる戦略に分けました。

1. リゾルブド・チャネル（分解チャネル）： 粒子がそれほど重くない場合、それらはゆっくりと離れていきます。チームは、4つの明確に分離した粒子のジェット（4つの別々のアイスクリームのスクープのようなもの）を探します。
2. ミックスド・チャネル（混合チャネル）： 「ビッグボス」が極端に重い場合、それは非常に大きなエネルギーを持って飛び出し、それが生成するヒッグス粒子は「ブーストされた（加速された）」状態になります（猛スピードで動いています）。この場合、ヒッグス粒子の崩壊生成物は非常に密に押しつぶされているため、単一の巨大なジェットのように見えます（一つの圧縮された巨大なスクープのようなもの）。「サイドキック」は依然として分離しています。

膨大なデータ量と厄介な背景ノイズに対処するため、チームは標準的な数学を用いただけではありません。彼らは最先端の人工知能技術を採用しました。彼らは、ガウス過程（形状を予測するのに役立つ洗練された統計ツール）と、ノーマライジング・フロー（単純なデータを複雑なパターンへと変換する方法を学習するAIの一種）を使用しました。隠れた物体の形を、異なる角度からの影を見て推測しようとする場面を想像してください。これらのAIツールは、背景ノイズの「影」を完璧にモデル化することを可能にし、それによって、新しい粒子が隠れているかもしれない極めて微細な偏差さえも特定できるようにしました。

彼らは広大な可能性の範囲をスキャンしました。「ビッグボス」（$X$）の質量が300 GeVから最大6 TeV（プロトンの6,000倍の重さ！）までの範囲を調べ、「サイドキック」（$S$）を70 GeVから5 TeVまでの範囲で調べました。彼らは80種類以上の異なる質量組み合わせをチェックし、事実上、これら仮説上の粒子のあらゆる可能な重さをテストしました。

判定： データの中の静寂

数字を計算し、AIモデルを実行した後、結果は明白でした：新しい粒子は見つかりませんでした。

データは、標準模型が予測するものと全く同じでした。グラフに「隆起」はなく、新しい「ビッグボス」の到来を告げる予期せぬスパイクもありませんでした。チームは、これらの粒子が存在しうる頻度について、厳格な上限を設定しました。もし存在するとしても、その生成率は0.7フェムトバルンから2.6ピコバルンの間（質量に依存）である必要があります。これを換算すると、もしLHCを、兆単位の衝突を量産する工場だと想像した場合、これらの粒子があまりにも稀であるため、たとえ1つを見るためにも信じられないほど長い時間待たなければならないということになります。

チームは、「ビッグボス」の質量が300 GeVで、「サイドキック」が170 GeVの地点において、一つだけ小さく孤独な「点（ブリップ）」を観測しましたが、それは発見と呼べるほど有意なものではありませんでした。それは単なる統計的なゆらぎであり、暗闇の中で聞こえた音が、幽霊ではなくただの風の音であったようなものです。その有意性は1.8標準偏差であり、粒子物理学の世界では、せいぜい「おそらく」程度、通常は単なるノイズとみなされます。

興味深いことに、チームは別の実験であるCMSが以前にわずかな超過（彼らが見た「幽霊」）を報告した特定の質量点についても確認を行いました。ATLASチームは、新しいより高感度なツールを用いてまさにその地点を調査しましたが、何も発見できませんでした。彼らの限界値はCMSの以前の結果よりも強力であり、CMSの「幽霊」が実在する粒子である可能性を事実上否定しました。

これが意味すること

この論文は「負の結果（null result）」ですが、科学においては、これは発見と同じくらい重要なことです。これらの粒子を見つけられなかったことで、ATLASチームは非常に鋭い境界線を引きました。彼らは、もしこれらの特定のタイプの「ビッグボス」と「サイドキック」が存在するのであれば、それらはまだ私たちが探していない場所に隠れているか、あるいは最も楽観的な理論が示唆するよりもはるかに稀であることを示したのです。

この研究はまた、物理学の新しい手法をも示しました。背景ノイズをモデル化するために高度なAI（ガウス過程とノーマライジング・フロー）を使用することで、彼らは以前よりもはるかに鮮明なデータの姿を捉えることができました。この「データ駆動型」のアプローチは、背景がどのように見えるべきかという理論的な推測に頼りすぎる必要がなく、データそのものに語らせることを可能にしました。

したがって、「ビッグボス」と「サイドキック」は依然として捉えどころのない存在ですが、捜索は続きます。ATLASチームは広大な森を切り開き、これらの粒子が「どこにいないのか」を明確に示しました。これは、他の科学者が理論を洗練させ、次にどこを探すべきかを判断する助けとなります。宇宙は依然として秘密に満ちていますが、この探索によって、私たちはそれらの秘密が「どこに隠れていないのか」を少しだけ知ることができたのです。