Search for ttbar resonances in final states with exactly one or two leptons using 140 fb of pp collision data at TeV with the ATLAS experiment
Het ATLAS-experiment analyseerde 140 fb aan 13 TeV proton-proton botsingsgegevens in eindtoestanden met één of twee leptonen om te zoeken naar zware spin-1 en spin-2 resonanties die vervallen in top-antitop quarkparen, waarbij geen significante afwijking van het Standaardmodel werd gevonden en uitsluitingslimieten werden gesteld op hypothetische -bosonen, Kaluza-Klein-gravitonen en Kaluza-Klein-gluonen.
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 fundament van deeltjes en krachten die natuurkundigen al een eeuw lang in kaart brengen. Deze kaart, bekend als het Standaardmodel, legt succesvol uit hoe de bekende bouwstenen van materie met elkaar interageren. Het is echter incompleet. Het laat de zwaartekracht weg, de kracht die planeten in hun baan houdt, en het biedt geen verklaring voor waarom sommige deeltjes ongelooflijk zwaar zijn terwijl andere bijna gewichtloos zijn. Om deze hiaten te vullen, hebben wetenschappers voorgesteld dat er zwaardere, onontdekte deeltjes rondwaren net buiten ons huidige bereik. Deze hypothetische deeltjes zouden massief zijn, veel zwaarder dan alles wat we ooit hebben gecreëerd, en ze zouden kunnen vervallen in paren topquarks, de zwaarste bekende elementaire deeltjes. Het vinden van een dergelijk zwaar deeltje zou een monumentale ontdekking zijn, die aangeeft dat de wetten van de natuur rijker en complexer zijn dan onze huidige theorieën suggereren.
Om op jacht te gaan naar deze ongrijpbare reuzen, laat het ATLAS-experiment bij de Large Hadron Collider in Zwitserland protonen tegen elkaar aan botsen met bijna de snelheid van het licht. Wanneer deze protonen botsen, komt er genoeg energie vrij om zware deeltjes te creëren die onder normale omstandigheden niet in de natuur voorkomen. Als een nieuw, zwaar deeltje wordt geboren in een dergelijke botsing, valt het bijna onmiddellijk uiteen in een paar topquarks. De uitdaging is dat topquarks onstabiel zijn en direct vervallen in andere deeltjes, wat een chaotische spray van puin creëert dat moeilijk te onderscheiden is van de miljarden gewone botsingen die elke seconde plaatsvinden. De onderzoekers moeten door deze ruis heen zeven, zoekend naar een specifieke handtekening: een paar topquarks die lijken te zijn voortgekomen uit een enkele, massieve bron in plaats van uit de willekeurige bende van standaardbotsingen.
Een team van wetenschappers dat gebruikmaakt van de ATLAS-detector heeft nu de meest uitgebreide zoektocht tot nu toe uitgevoerd naar deze zware resonanties. Ze analyseerden een enorme dataset met 140 inverse femtobarns aan botsingsdata, verzameld over meerdere jaren op een energieniveau van 13 tera-elektronvolt. Dit vertegenwoordigt de volledige collectie data van de tweede grote run van de collider. Het team concentreerde zich op twee specifieke manieren waarop de topquarks zouden kunnen vervallen: één waarbij een enkel elektron of muon wordt geproduceerd naast andere deeltjes, en een andere waarbij twee dergelijke deeltjes worden geproduceerd. Door deze twee benaderingen te combineren, waren ze in staat om signalen te zoeken over een breed bereik van massa's, van 400 gigaelektronvolt tot 5 tera-elektronvolt. Ze zochten naar deeltjes die ofwel zeer smal konden zijn, verschijnend als een scherpe piek in de data, of zeer breed, verschijnend als een brede, zachte heuvel.
De onderzoekers bouwden een gedetailleerd computermodel van hoe het universum eruit zou zien als alleen de bekende deeltjes van het Standaardmodel aanwezig zouden zijn. Ze vergeleken dit model vervolgens met de werkelijke data die door de detector zijn opgenomen. Ze zochten naar elke afwijking, elke plek waar de werkelijke data meer gebeurtenissen vertoonde dan het model voorspelde, wat de aanwezigheid van een nieuw deeltje zou aangeven. Na zorgvuldig rekening te hebben gehouden met elke bekende bron van fouten en onzekerheden, van de manier waarop de detector energie meet tot de theoretische berekeningen van hoe deeltjes zich gedragen, vonden ze geen dergelijke afwijking. De data kwamen perfect overeen met de voorspelling van het Standaardmodel over het gehele onderzochte massaspectrum.
Omdat er geen nieuwe deeltjes zijn gevonden, heeft het team geen ontdekking gerapporteerd, maar eerder een reeks strikte grenzen vastgesteld. Ze stelden vast dat als bepaalde soorten zware deeltjes bestaan, ze niet lichter kunnen zijn dan specifieke massalimieten. Bijvoorbeeld, ze sloten het bestaan uit van een specifiek type zwaar deeltje, bekend als een Z-prime bosonen, met een massa tot 4,2 tera-elektronvolt als het smal is, of tot 3,65 tera-elektronvolt als het iets breder is. Ze sloten ook een ander type zwaar deeltje uit, een Kaluza-Klein gluon, met massa's tot 4,1 tera-elektronvolt. Voor een andere kandidaat, een Kaluza-Klein graviton, sloten ze massa's tot 1,3 tera-elektronvolt uit. Deze limieten zijn de meest strikte die ooit zijn vastgesteld voor deze specifieke typen deeltjes in de onderzochte vervalkanalen.
De zoektocht besloeg een breed scala aan theoretische mogelijkheden, inclus\nsluit extra dimensies van de ruimte of nieuwe krachten die sterk interageren met de topquark. Hoewel de resultaten de existentie van deze nieuwe deeltjes niet bevestigen, bieden ze een cruciale gids voor de toekomst. Door wetenschappers precies te vertellen waar deze deeltjes niet zijn, verkleinen ze het veld van mogelijkheden. Het dwingt theoretici om hun ideeën te verfijnen, door de potentiële massa van deze nieuwe deeltjes nog hoger te duwen of door te suggereren dat ze op manieren kunnen interageren die nog moeilijker te detecteren zijn. Het werk staat als een testament voor de kracht van precisie-meting, bewijzend dat zelfs in de afwezigheid van een ontdekking, weten wat er niet is een vitale stap is naar het begrijpen van wat wel is.
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.