Search for quantum black hole production in lepton+jet final states using proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV with the ATLAS detector

Het universum zoals wij dat begrijpen, is gebouwd op een fundament van deeltjes en krachten, een raamwerk dat bekend staat als het Standaardmodel. Deze theorie verklaart succesvol hoe materie zich gedraagt en interageert, maar laat één diep mysterie onopgelost: waarom is de zwaartekracht zo ongelofelijk zwak vergeleken met de andere fundamentele krachten? Terwijl een magneet een paperclip kan optillen tegen de volledige zwaartekracht van de aarde in, blijft de zwaartekracht door een enorme marge de zwakste van de natuurkrachten. Om dit onbalans te verklaren, hebben sommige natuurkundigen voorgesteld dat de zwaartekracht mogelijk niet beperkt is tot de drie dimensies van de ruimte die wij ervaren. In plaats daarvan zou de zwaartekracht kunnen lekken naar verborgen, extra dimensies die te klein zijn voor ons om te zien. Als deze extra dimensies bestaan, zouden ze de energieschaal verlagen die nodig is om de zwaartekracht sterk te laten worden, wat het potentieel biedt om zich op manieren te manifesteren die we kunnen detecteren.

In dit scenario zouden twee deeltjes, als ze botsen met voldoende energie, niet alleen van elkaar kunnen afketsen; ze zouden een kortstondig, minuscuul object kunnen vormen dat bekend staat als een kwantum zwart gat. In tegen tegenstelling tot de massieve zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels, die zo zwaar zijn dat ze alles in de buurt opslokken, zouden deze kwantumversies microscopisch klein zijn en bijna onmiddellijk verdwijnen. Ze zouden direct vervallen in een straal van andere deeltjes. De vraag is of we een glimp van deze vluchtige momenten kunnen opvangen voordat ze verdwijnen. Als we hen kunnen vinden, zou dit direct bewijs zijn dat extra dimensies bestaan en dat de zwaartekracht zich op de kleinste schaal anders gedraagt dan in onze alledaagse wereld.

Bij de Large Hadron Collider, een enorme deeltjesversneller die ondergronds nabij Genève is begraven, laten wetenschappers protonen met bijna de lichtsnelheid op elkaar botsen om de extreme omstandigheden van het vroege universum te recreëren. De ATLAS-detector, een kolossaal apparaat ter grootte van een kathedraal, registreert het puin van deze botsingen. In een recente studie heeft de ATLAS-collaboratie data gebruikt die overeenkomt met 140 inverse femtobarn aan geïntegreerde luminositeit om te zoeken naar de specifieke signatuur van deze kwantum zwarte gaten. Ze zochten naar een zeer specifieke gebeurtenis: een botsing die een enkel hoogenergetisch elektron of muon (een zware neef van het elektron) produceert, gepaard met een jet van deeltjes. In de modellen die de onderzoekers testten, zou een kwantum zwart gat ontstaan en vervolgens vervallen in precies deze combinatie: één lepton en één quark, waarbij de laatste verschijnt als een jet.

Het team analyseerde de data met een focus op de totale energie, of invariante massa, van deze elektron-jet en muon-jet paren. Als er een kwantum zwart gat was gecreëerd, zou dit verschijnd zijn als een plotselinge piek in het aantal gebeurtenissen bij een specifieke hoge massa, die duidelijk afsteekt tegen de gladde, voorspelbare achtergrond van gewone deeltjesinteracties. De onderzoekers zochten naar deze pieken in een regio waar de massa groter is dan 2,0 TeV, een drempel die hoog genoeg is om ervoor te zorgen dat ze naar nieuwe fysica keken in plaats naar bekende processen. Ze onderzochten de data met uiterste zorg, waarbij rekening werd gehouden met elke mogelijke bron van fouten en achtergrondruis, van de manier waarop de detector energie meet tot de subtiele effecten van meerdere botsingen die tegelijkertijd plaatsvinden.

Het resultaat was een helder en consistent beeld van het bekende universum. De distributie van de datapunten kwam binnen de verwachte onzekerheden overeen met de voorspellingen van het Standaardmodel. Er waren geen onverwachte pieken, geen plotselinge toenames in gebeurtenissen die aan de vorming van een kwantum zwart gat toegeschreven konden worden. De geobserveerde data zagen er precies uit zoals de wetenschappers verwachtten te zien als alleen gewone deeltjes met elkaar zouden interageren. De afwezigheid van een signaal is op zichzelf een belangrijke ontdekking. Het stelt de onderzoekers in staat om strikte limieten te stellen aan hoe zwaar deze kwantum zwarte gaten mogelijk kunnen zijn. Ze bepaalden dat als deze objecten bestaan, ze zwaarder moeten zijn dan 8,8 TeV in het model met zes extra dimensies, en zwaarder dan 6,3 TeV in het model met één extra dimensie.

Deze nieuwe limieten vormen een substantiële verbetering ten opzichte van eerdere zoektochten. Door de grens van wat detecteerbaar is te verleggen, sluit deze studie effectief de existentie van kwantum zwarte gaten in de lagere massaberalen uit die voorheen toegankelijk waren. Het vertelt ons dat als de natuur deze extra dimensies en de bijbehorende kwantum zwarte gaten verbergt, ze zich op energieën verbergen die nog hoger zijn dan wat we tot nu toe hebben kunnen bereiken. De zoektocht gaat door, maar voor nu blijft het universum stil over de aanwezigheid van deze specifieke kwantumobjecten in het energiebereik dat door de ATLAS-detector is verkend. Het Standaardmodel staat stevig en de zoektocht naar de scheuren in de fundering ervan moet zich bewegen naar nog hogere energieën.