Measurement of dijet angular distributions and search for beyond the standard model physics in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Deze studie presenteert een meting van dijet-hoekverdelingen in proton-protonbotsingen bij 13 TeV, waarbij voor het eerst vergelijkingen met QCD-predicties tot op de tweede orde worden gemaakt en de meest strikte grenzen tot nu toe worden gesteld voor diverse modellen van fysica buiten het Standaardmodel, waaronder quarkcompositeness en axion-achtige deeltjes.

De kern

De Deeltjesspelers: Een Zoektocht naar Verborgen Spelregels in het CERN

Stel je voor dat het CERN (de Europese organisatie voor kernonderzoek) een gigantisch, supersnel racetrack is. Hier botsen protonen (kleine deeltjes) met een snelheid die bijna die van het licht is. Wanneer deze deeltjes botsen, springen er vaak twee stralen van andere deeltjes, zogenaamde "jets", in verschillende richtingen weg. Dit noemen wetenschappers dijets.

In deze nieuwe studie heeft het CMS-team (een groep duizenden wetenschappers) gekeken naar deze botsingen. Ze hebben gekeken naar 138 biljoen botsingen (een getal dat we meten in "fb⁻¹", een eenheid voor hoeveel data ze hebben verzameld).

Hier is wat ze hebben gedaan, vertaald in simpele taal:

1. De Hoek van de Botsing: Een Biljarttafel

Stel je voor dat je twee biljartballen tegen elkaar stoot.

• Als ze recht op elkaar botsen, stuiteren ze vaak recht terug.
• Als ze schuin raken, vliegen ze in een hoek weg.

In deeltjesfysica kijken wetenschappers niet alleen naar hoe hard de ballen vliegen, maar vooral naar de hoek waarin ze wegspatten. Dit noemen ze de "dijet-hoekverdeling".

• De Verwachting: Volgens de standaardregels van de natuurkunde (het Standaardmodel) zouden deze ballen een heel specifiek patroon moeten volgen, alsof ze een perfecte dans uitvoeren.
• De Realiteit: De wetenschappers hebben gekeken of de ballen precies zo dansen als voorspeld, of dat er iets vreemds gebeurt.

2. De Nieuwe Spelregels: Is er Iemand die Cheaten?

De wetenschappers hoopten dat ze een "foutje" in de dans zouden vinden. Een foutje zou kunnen betekenen dat er nieuwe, onbekende krachten of deeltjes zijn die de regels van het spel veranderen. Ze hebben gezocht naar sporen van:

• Quark-samenstelling: Zijn quarks (de bouwstenen van protonen) eigenlijk zelf weer uit nog kleinere deeltjes opgebouwd? (Alsof je een LEGO-blokje openbreekt en er nog kleinere blokjes in zit).
• Extra Dimensies: Bestaan er meer dan de drie ruimtelijke dimensies die we kennen? (Alsof er een geheime gang in een huis is die we niet zien, maar waar deeltjes wel doorheen kunnen lopen).
• Quantum-Zwarte Gaten: Korte, kleine zwarte gaten die direct weer verdwijnen.
• Donkere Materie: De onzichtbare "spookstof" die het universum bij elkaar houdt.
• Axion-achtige deeltjes: Een soort "geheime boodschapper" deeltjes.

3. De Resultaten: De Dans gaat door... maar met een klein hikkje

Wat vonden ze?

• Het Grote Plaatje: Voor het grootste deel dansen de deeltjes precies zoals het Standaardmodel voorspelt. De natuurkunde werkt!
• Het Kleine Hikkje: Bij de zwaarste en energiekste botsingen (waar de deeltjes het hardst vliegen) zagen ze een heel klein verschil in de vorm van de dans. Het is alsof de biljartballen op een bepaald moment net iets anders stuiteren dan verwacht.
  • Belangrijk: Dit is geen bewijs van nieuw deeltjes. Het is waarschijnlijk gewoon een kleine onnauwkeurigheid in onze berekeningen of meetinstrumenten. Maar het is interessant genoeg om verder te kijken.

4. De Grenzen van het Mogelijke

Omdat ze geen "groot bewijs" vonden, hebben ze de grenzen van het spel verschoven. Ze hebben gezegd: "Als er nieuwe deeltjes zijn, moeten ze zwaarder zijn dan dit, of zwakker gekoppeld dan dat."

Ze hebben de volgende grenzen gesteld (als je een grens trekt op een kaart, betekent dit: "Hier kunnen we geen nieuwe deeltjes meer vinden, dus ze moeten hierbuiten zitten"):

• Contactinteracties: Als quarks uit iets kleiners bestaan, moet dat iets minstens 17 tot 37 keer zwaarder zijn dan wat we nu kunnen maken.
• Extra Dimensies: Als er extra dimensies zijn, moeten ze zo klein of zo zwaar zijn dat we ze tot 13,4 TeV (een enorme energie) niet kunnen zien.
• Donkere Materie: De deeltjes die donkere materie dragen, moeten zwaarder zijn dan 6,2 TeV.

Samenvatting in één zin

De wetenschappers hebben gekeken of de deeltjes in de deeltjesversneller zich netjes houden volgens de oude regels of dat ze nieuwe, spannende trucs laten zien; ze zagen dat ze zich over het algemeen heel netjes houden, maar ze hebben wel de grenzen van het speelveld verlegd, zodat we weten waar we in de toekomst moeten zoeken voor de echte verrassingen.

Kortom: Geen nieuwe deeltjes gevonden, maar wel de beste kaart tot nu toe getekend van waar ze niet zitten.

Technische samenvatting

Titel

Meting van dijet-hoekverdelingen en zoektocht naar fysica buiten het Standaardmodel in proton-protonbotsingen bij √s = 13 TeV.

1. Het Probleem en de Doelstelling

Het Standaardmodel (SM) van de deeltjesfysica is uiterst succesvol, maar laat belangrijke vragen onbeantwoord, zoals de aard van donkere materie, de oorsprong van de massa-hiërarchie en de mogelijke substructuur van quarks. Veel theorieën die het Standaardmodel uitbreiden (Beyond the Standard Model, BSM) voorspellen nieuwe interacties tussen quarks en gluonen. Deze interacties zouden zich kunnen manifesteren als:

• Contactinteracties (CI): Indicatie van quark-compositie.
• Extra ruimtelijke dimensies: Zoals in het ADD-model.
• Kwantumzwarte gaten (QBH): Productie bij hoge energieën.
• Donkere-materiemediatoren: Deeltjes die donkere materie koppelen aan gewone materie.
• Axion-achtige deeltjes (ALP) en anomalie gluon-koppelingen: In het kader van effectieve veldentheorieën (EFT).

De uitdaging ligt in het detecteren van deze effecten tegen de achtergrond van de enorme QCD-productie van dijets (paren van jets). Traditionele zoektochten naar resonanties (pieken in het massaspectrum) zijn al sterk beperkt. Deze studie richt zich op niet-resonante effecten door de hoekverdeling van dijets te analyseren, wat gevoeliger is voor subtiele afwijkingen in de verstrooiingsdynamica veroorzaakt door BSM-fysica.

2. Methodologie

Data en Detector:

• Data: Gebruikt data van proton-protonbotsingen verzameld door de CMS-detector bij de LHC (CERN) met een geïntegreerde luminositeit van 138 fb⁻¹ (jaren 2016–2018) bij een botsingsenergie van √s = 13 TeV.
• Selectie: Evenementen met ten minste twee gereconstrueerde jets. De analyse focust op de twee leidende jets (hoogste transversale impuls $p_T$).
  • $p_T$ van de leidende jet > 500 GeV.
  • $p_T$ van de sub-leidende jet > 200 GeV.
  • Dijet-invariantmassa ($M_{jj}$) bereikt tot 8,3 TeV.
  • De analyse beperkt zich tot een fase-ruimte met lage Lorentz-boost ($|y_{boost}| < 1.11$) en $1 < \chi_{dijet} < 16$, waarbij$\chi_{dijet} = \exp(|y_1 - y_2|)$.

Observabelen:
De kern van de analyse is de genormaliseerde dijet-hoekverdeling ($\frac{1}{N} \frac{dN}{d\chi_{dijet}}$).

• QCD-verstrooiing is bijna onafhankelijk van $\chi_{dijet}$ (behalve bij lage waarden door subdominante processen).
• Veel BSM-signalen (zoals contactinteracties) voorspellen een overschot aan gebeurtenissen bij kleine waarden van $\chi_{dijet}$ (wat correspondeert met grote verstrooiingshoeken in het zwaartepuntssysteem).
• Deze verdeling minimaliseert de afhankelijkheid van parton-distributiefuncties (PDFs) en de sterke koppelingsconstante.

Statistische Analyse en Correcties:

1. Detector-niveau: De gemeten verdelingen worden direct vergeleken met QCD-voorspellingen (NNLO + NLO elektroweak correcties) die via een responsmatrix zijn "ingevouwd" (forward folded) naar het detector-niveau om BSM-zoektochten uit te voeren.
2. Deconvolutie (Unfolding): De data worden gecorrigeerd voor detector-effecten (zoals energie-resolutie en efficiëntie) om de verdeling op deeltjes-niveau (particle level) te verkrijgen. Dit is een eerste voor CMS: een directe vergelijking van deeltjes-niveau data met NNLO-perturbatieve QCD-voorspellingen inclusief elektroweak correcties.
3. Onzekerheden: Systematische onzekerheden (jet-energieschaal, resolutie, trigger, PDFs, schaalkeuze in QCD) worden zorgvuldig gekwantificeerd en behandeld als volledig gecorreleerd tussen bins, met uitzondering van bepaalde modelafhankelijke onzekerheden.

3. Belangrijkste Bijdragen

• Eerste NNLO-vergelijking: Voor het eerst worden degenormaliseerde dijet-hoekverdelingen op deeltjes-niveau direct vergeleken met perturbatieve QCD-voorspellingen op Next-to-Next-to-Leading Order (NNLO), inclusief Next-to-Leading Order (NLO) elektroweak correcties.
• Uitgebreide BSM-zoektocht: De studie test een breed scala aan BSM-scenario's, waaronder quark-compositie, extra dimensies, kwantumzwarte gaten, donkere-materiemediatoren, axion-achtige deeltjes en anomalie gluon-koppelingen in het Standaardmodel Effectieve Veldentheorie (SMEFT).
• Verbeterde Sensitiviteit: Door de focus op hoge $M_{jj}$ en lage $\chi_{dijet}$, en het gebruik van een grotere dataset (138 fb⁻¹), worden de strengste limieten tot nu toe gezet voor veel van deze modellen.

4. Resultaten

Overeenkomst met het Standaardmodel:

• Over het algemeen vertonen de data een uitstekende overeenkomst met de SM-voorspellingen (NNLO QCD + NLO EW).
• Er wordt een kleine afwijking in de vorm van de genormaliseerde verdeling waargenomen voor dijet-massa's tussen 2,4 en 4,8 TeV en boven de 6 TeV.
• De lokale significantie van de grootste afwijkingen (in de 3–3,6 TeV en 7–13 TeV bins) bedraagt respectievelijk 2,0 en 2,4 standaardafwijkingen. Echter, geen enkel signaal is gelokaliseerd in één massabins, en de globale significantie is slechts 0,3 standaardafwijkingen. Er is geen bewijs gevonden voor BSM-fysica.

Uitsluitingslimieten (95% CL):
De analyse stelt de strengste limieten tot nu toe voor de volgende scenario's:

• Quark Contactinteracties (CI):
  • Destructieve interferentie: Uitgesloten tot een schaal van 17 TeV.
  • Constructieve interferentie: Uitgesloten tot een schaal van 37 TeV.
• Extra Dimensies (ADD-model): Virtuele gravitonen-uitwisseling is uitgesloten tot een schaal van 13,4 TeV (Giudice-Rattazzi-Wells conventie).
• Kwantumzwarte gaten (QBH): Uitgesloten voor massa's onder 8,5 TeV (ADD6 scenario) en 6,3 TeV (RS1 scenario).
• Donkere Materie Mediatoren: Vector- en axiaal-vector mediatoren met massa's tussen 4 en 6,2 TeV zijn uitgesloten.
• Axion-achtige deeltjes (ALP): De koppeling $c_g/f_a$ is beperkt tot < 0,42 TeV⁻¹.
• Anomalie Gluon Koppeling (SMEFT): De parameter $C_G/\Lambda^2$ is beperkt tot < 0,0076 TeV⁻². Dit is een aanzienlijke verbetering ten opzichte van eerdere resultaten (o.a. 0,032 TeV⁻²).

5. Betekenis en Conclusie

Deze studie markeert een mijlpaal in de precisie van QCD-metingen bij de LHC. Door voor het eerst een vergelijking te maken op deeltjes-niveau met NNLO-voorspellingen, wordt de theoretische onzekerheid geminimaliseerd en de sensitiviteit voor nieuwe fysica gemaximaliseerd.

Hoewel er geen direct bewijs voor BSM-fysica werd gevonden, zijn de gevestigde limieten uiterst waardevol:

1. Ze sluiten grote delen van de parameter ruimte uit voor populaire theorieën zoals quark-compositie en extra dimensies.
2. Ze bieden de strengste beperkingen tot nu toe voor anomalie gluon-koppelingen en axion-achtige deeltjes in dijet-kanalen.
3. De resultaten onderstrepen de robuustheid van het Standaardmodel op de hoogste energie-schalen die momenteel toegankelijk zijn, en stellen de lat voor toekomstige theorieën en experimenten (zoals de High-Luminosity LHC) aanzienlijk hoger.

De data en de onthulde verdelingen zijn beschikbaar via HEPData voor verdere reinterpretatie door de gemeenschap.