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
CMSコラボレーションは、136 fbの13 TeV陽子・陽子衝突データを用い、bクォークおよび軽フレーバークォークへと崩壊するダイジェット共鳴の共鳴的および非共鳴的な対生成に関する初の探索を提示し、トップスクォークおよびダイクォークモデルに対する排除限界を設定するとともに、最大2.6標準偏差の局所的な過剰を観測した。
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宇宙は、標準模型として知られる一連の規則に基づいて構築されています。これは、あらゆるものを作り上げている基本粒子と力を正確に記述することに成功している枠組みです。しかし、物理学者たちはこの図が不完全であることを知っています。それは重力やダークマターの性質、あるいはなぜ宇宙に反物質よりも物質の方が多いのかという問題を説明することができません。欠けているピースを見つけ出すために、科学者たちは大型ハドロン衝突型加速器（LHC）において、陽子を光速に近い速度で衝突させ、隠された現実の層を明らかにする可能性のある新しい粒子のシャワーを作り出しています。最も有望な理論の中には、通常の物質のジェットへと崩壊する、重く不安定な粒子の存在を予測するものがあります。科学者たちは、単一の重い粒子がバラバラになる現象を長年探してきましたが、より複雑なシナリオとして、これらの一対の重い粒子が生成され、それがさらに多くの破片へと分解していくというものがあります。この特定の探索では、ある稀なシグネチャー、すなわち、各ペアに重いボトムクォークが含まれる、2組の粒子ジェットを探しています。ボトムクォークは、私たちの日常世界にある一般的な陽子や中性子よりも重く、希少な種類の物質です。
最近の研究において、CERNのCMSコラボレーションは、これらの捉えどころのないペアを探索するために、膨大な衝突データのコレクションを調査しました。彼らは、13テラ電子ボルトのエネルギーでの陽子・陽子衝突から収集された、フェムトバルンと呼ばれる138単位のデータ（138 fb⁻¹）を分析しました。チームは2つの明確な可能性を検討しました。第一の可能性は、非共鳴プロセスであり、そこでは2つの重い粒子が独立して同時に生成され、それぞれがボトムクォークとより軽いクォークへと崩壊します。第二の可能性は、共鳴プロセスであり、そこでは単一の、さらに重い親粒子が最初に生成され、それが2つの中間粒子へと分裂してから、さらに崩壊していきます。どちらのシナリオにおいても、最終的な結果は4つの明確なエネルギー・ジェットとなりますが、そのうちの2つはボトムクォークに由来します。研究者たちは、これらのボトムクォークを特定し、結果として生じるジェットのエネルギーから元の粒子の質量を再構成するために、洗練されたアルゴリズムを使用しました。
分析は、通常の粒子衝突による滑らかで予測可能な背景（バックグラウンド）に対して際立つ、「バンプ（隆起）」またはデータ内の局所的な過剰を特定することに焦点を当てました。背景ノイズは膨大であり、標準的な量子相互作用におけるジェットの絶え間ない生成によって発生しますが、研究者たちは、理論的な予測のみに頼るのではなく、データ自体からこの背景をモデル化する手法を開発しました。彼らは、2つのジェット・ペアの質量の比率を全4ジェットの総質量に対する比率に基づいてイベントを分類しましたが、これは潜在的な信号を圧倒的な背景から分離するのに役立つ手法でした。データを精査した後、チームは新しい粒子の決定的な証拠を見つけることはできませんでした。結果は、予測された重い共鳴の存在を裏付けるような、統計的に有意な明確なピークを示しませんでした。
しかし、発見が得られなかったことで、科学者たちは何が存在し得るかについての厳格な境界を設定することができました。彼らは、もし特定の種類の重い粒子、具体的にはRパリティの破れを伴うモデルによって予測される粒子が存在するとすれば、それらは0.8テラ電子ボルトよりも重くなければならないと判断しました。この発見は、以前の実験ではまだ十分に探索されていなかった低質量領域における、これらの粒子の存在を事実上排除するものです。同様に、共鳴探索に関する重いダイクォークについては、2から7テラ電子ボルトの間の質量が除外されました。これらの限界は、ボトムクォークを伴うこの特定のタイプの粒子崩壊に関する最初のものであり、新しい物理学の可能性のある質量に関する既知の領域を押し広げました。
主要な探索は空振りに終わりましたが、データにはいくつかの興味深い揺らぎが含まれていました。非共鳴生成の探索では、期待される背景からの最も顕著な偏差は、質量1.0テラ電子ボルトにおいて、2.1標準偏差の統計的有意性で現れました。共鳴探索では、4ジェット質量3.1テラ電子ボルトにおいて、2.6標準偏差に対応する、わずかに大きな揺らぎが観察されました。粒子物理学の言葉では、これらの数値は、データが特定の点において背景の予測とはわずかに異なって見えたものの、その効果は発見と見なされるほど強力ではないことを示しています。このような揺らぎは、ランダムな統計的変動によって時折発生することが予想されるものであり、研究者たちは、これらが新しい粒子の証明にはならないことを強調しています。
この研究はまた、データセットの中で記録された最高エネルギーを持つ特定のイベントを強調しました。そこでは、4つのジェットが合わせて5.5テラ電子ボルトの質量を持っていました。2018年に発生したこの単一のイベントは、質量がほぼ同一で、理論的な期待に一致するように整列した2組のジェットを含んでいました。その印象的な外観にもかかわらず、このイベントは全体の結論を覆すには不十分でした。なぜなら、残りのデータがこのエネルギーレベルにおける一貫した信号を支持していなかったからです。研究者たちは、このイベントが分布の高質量側（テール部分）に現れたことを指摘しており、そこは統計的な揺らぎが起こりやすい領域です。
結局のところ、この研究は標準模型を超える物理学の探索における重要な一歩を意味しています。ボトムクォークを含むように探索範囲を広げ、広い質量範囲をカバーすることで、コラボレーションは以前は開かれていたいくつかの理論的可能性に終止符を打ちました。これらの結果は、エネルギーの景観をより明確な地図として提示しており、新しい粒子が「どこにないか」を科学者に伝えるものであり、それは新しい粒子が「どこにあるかもしれないか」を見つけることと同じくらい価値があります。大型ハドロン衝突型加速器はさらなるデータを収集し続けており、探索は続いていますが、今のところ、宇宙はこれらの特定の重い粒子ペアの存在については沈黙を守っています。
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