Search for resonant and nonresonant production of pairs of dijet resonances in proton-proton collisions at = 13 TeV
Met behulp van 138 fb aan 13 TeV proton-proton botsingsdata heeft de CMS-collaboratie een zoektocht uitgevoerd naar resonante en niet-resonante productie van dijet-resonantieparen, waarbij nieuwe limieten zijn gesteld op diquark- en top squark-modellen terwijl lokale excessen werden waargenomen met significante waarden van 3,9 en 3,6 standaarddeviaties die globaal statistisch onbeduidend blijven.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Het universum is gebouwd op een reeks regels die bekend staat als het Standaardmodel, een raamwerk dat de fundamentele deeltjes en krachten die alles vormen wat we zien, succesvol beschrijft. Toch weten natuurkundigen dat deze kaart incompleet is. Het verklaart de zwaartekracht niet, de aard van donkere materie, of waarom het universum uit materie bestaat in plaats van antimaterie. Om de ontbrekende stukken te vinden, laten wetenschappers bij de Large Hadron Collider protonen tegen elkaar aan botsen met bijna de snelheid van het licht, waarbij ze een chaotische spray van puin creëren. Ze zoeken in dit puin naar patronen die niet passen bij de bekende regels, op zoek naar nieuwe, zware deeltjes die tijdens de botsing gevormd zouden kunnen zijn en vervolgens onmiddellijk zijn vervallen in jets van gewone materie.
In een recente studie richtte de CMS-collaboratie bij CERN zich op een specifiek, complex scenario: de gelijktijdige creatie van twee nieuwe deeltjes, die elk onmiddellijk uiteenvallen in een paar jets. Dit is een complexere zoektocht dan het zoeken naar één nieuw deeltje, omdat het de verschijning van vier jets van energie tegelijkertijd vereist. De onderzoekers analyseerden gegevens van 138 biljoen proton-protonbotsingen, waarbij ze naar twee verschillende mogelijkheden zochten. De eerste was een "resonant" proces, waarbij een massief, onzichtbaar ouderdeeltje vervalt in twee identieke nieuwe deeltjes. De tweede was een "niet-resonant" proces, waarbij de twee nieuwe deeltjes onafhankelijk van elkaar worden gecreëerd zonder een ouderdeeltje. Door de massa's van deze vier-jet-clusters te onderzoeken, stelde het team strikte grenzen aan welke nieuwe deeltjes zouden kunnen bestaan, waardoor veel theoretische ideeën effectief werden uitgesloten terwijl een paar intrigerende mogelijkheden in stand bleven.
De zoektocht richtte zich op twee specifieke typen hypothetische deeltjes. Voor de resonante zoektocht zocht het team naar een zwaar deeltje genaamd een diquark, dat zou vervallen in twee "vector-achtige quarks", die elk weer splitsen in een jet-paar. Voor de niet-resonante zoektocht zochten ze naar paren "top squarks", die worden voorspeld door een theorie genaamd supersymmetrie. De gegevens werden verwerkt door de paden en energieën van de deeltjes te reconstrueren, ze in paren te groeperen en vervolgens de totale massa van de vier jets te berekenen. Het team moest uiterst voorzichtig zijn om een echt signaal te onderscheiden van de overweldigende achtergrond van gewone deeltjesinteracties, die van nature vier jets produceren maar met een vloeiende, voorspelbare massaverdeling.
De resultaten waren een mix van uitsluiting en aanwijzingen die tot de verbeelding spreken. In de zoektocht naar de zware diquark vonden de onderzoekers geen bewijs voor een nieuw deeltje, maar ze waren in staat om het bestaan van diquarks met massa's onder de 7,6 biljoen elektronvolt uit te sluiten voor een specifiek modelscenario. Dit is een belangrijke prestatie, aangezien het de grens van waar nieuwe fysica zich kan verbergen naar veel hogere energieschalen duwt dan eerder getest. Op vergelijkbare wijze sloot het team, in de zoektocht naar top squarks, massa's tussen 0,50 en 0,77 biljoen elektronvolt uit, waarbij slechts een kleine kloof overbleef. Deze bevindingen breiden de grenzen die door eerdere experimenten zijn gesteld aanzienlijk uit en verkleinen het venster waar deze theoretische deeltjes gevonden kunnen worden.
Ondanks het gebrek aan een definitieve ontdekking, bevatten de gegevens twee zeldzame gebeurtenissen die opvielen uit de achtergrond. Deze gebeurtenissen vonden plaats in de hoog-massa staart van de distributie, waar de totale energie van de vier jets rond de 8 biljoen elektronvolt lag en de massa van de twee jet-paren rond de 2 biljoen elektronvolt. Als deze gebeurtenissen zouden worden geïnterpreteerd als een signaal van een nieuw deeltje, zouden ze een statistische fluctuatie vertegenwoordigen met een lokale significantie van 3,9 standaarddeviaties. Echter, toen de onderzoekers rekening hielden met het feit dat ze over een breed bereik van massa's zochten — een factor bekend als het "look-elsewhere effect" — daalde de globale significantie naar 1,6 standaarddeviaties. Dit betekent dat hoewel de gebeurtenissen interessant zijn en verdere studie verdienen, ze nog niet sterk genoeg zijn om een ontdekking te claimen. Het team merkte op dat deze twee gebeurtenissen, samen met een derde geïsoleerde gebeurtenis gezien in een gerelateerde analyse, potentieel verklaard kunnen worden door een brede, zware resonantie, maar meer gegevens zijn nodig om dit te bevestigen.
De studie onderzocht ook een ander soort overschot in de niet-resonante zoektocht. Bij een gemiddelde massa van 0,95 biljoen elektronvolt vertoonden de gegevens een lichte overmaat aan gebeurtenissen vergeleken met de voorspelde achtergrond, met een lokale significantie van 3,6 standaarddeviaties. Opnieuw, na correctie voor het look-elsewhere effect, stabiliseerde de globale significantie zich op 2,5 standaarddeviaties. Dit is een bescheiden overschot dat wijst op een mogelijke afwijking van het standaardmodel, maar het schiet tekort voor de drempel die vereist is om als een ontdekking te worden beschouwd. De onderzoekers benadrukten dat deze fluctuaties simpelweg een statistische toevalligheid kunnen zijn, en riepen op tot voorzichtigheid bij het interpreteren ervan als nieuwe fysica zonder verdere bevestiging.
Uiteindelijk dient dit werk als een rigoureus filter voor theoretische modellen. Door precieze bovengrenzen te stellen aan de productie van deze deeltjesparen, heeft het CMS-team theoretici verteld welke versies van hun ideeën niet langer levensvatbaar zijn. De uitsluiting van diquarks onder de 7,6 biljoen elektronvolt en top squarks in het bereik van 0,50 tot 0,77 biljoen elektronvolt dwingt nieuwe modellen ofwel om zwaardere deeltjes te voorspellen of andere interactiemechanismen. De enkele gebeurtenissen die in de hoog-massa staarten verschenen, dienen als een herinnering dat de gegevens nog steeds verrassingen bevatten, maar ze benadrukken ook de moeilijkheid om een echt signaal te onderscheiden van de ruis van het universum. Terwijl de Large Hadron Collider doorgaat met het verzamelen van gegevens, zullen deze zeldzame gebeurtenissen verder worden onderzocht en zullen de grenzen nog hoger worden gedrukt, in een voortdurende, langzame en gestage mars naar een dieper begrip van de fundamentele wetten van de natuur.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.