Search for new scalars via $X \rightarrow SH \rightarrow b\bar{b}b\bar{b}$ in proton-proton collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

Stel je het universum voor als een gigantische, kosmische LEGO-set. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd de exacte vorm te achterhalen van de belangrijkste steen in de set: het Higgs-boson. Dit deeltje, dat in 2012 werd ontdekt, is als de "lijm" die andere deeltjes massa geeft en het weefsel van de werkelijkheid bij elkaar houdt. Maar hier is de crux: de standaard instructiehandleiding voor deze LEGO-set, het Standaardmodel genoemd, mist enkele pagina's. Het kan zaken zoals donkere materie (de onzichtbare materie die sterrenstelsels bij elkaar houdt) of waarom er meer materie is dan antimaterie, niet verklaren. Vanwege deze ontbrekende pagina's vermoeden natuurkundigen dat er verborgen, extra stenen zijn die we nog niet hebben gevonden—nieuwe, zwaardere deeltjes die zich wellicht net buiten ons zicht bevinden.

Dit artikel is een rapport van een enorm team van wetenschappers bij de Large Hadron Collider (LHC), de krachtigste deeltjesversneller ter wereld. Zij spelen een spannend spel van "zoek de verborgen steen". Specifiek zoeken ze naar een zwaar, nieuw deeltje (laten we het de "Grote Baas" noemen) dat mogelijk uiteenvalt in een bekend Higgs-boson en een nieuw, lichter, mysterieus deeltje (de "Sidekick"). Als deze "Grote Baas" bestaat, zou het een bewijsstuk zijn voor nieuwe fysica, wat zou bewijzen dat het universum complexer is dan onze huidige tekstboeken zeggen. Het team zoekt naar een zeer specifieke, rommelige handtekening: een botsing die vier bottom-quarks produceert (kleine deeltjes die lijken op zware, kortlevende neven van het elektron), wat een zeer moeilijk signaal is om te onderscheiden in een zee van achtergrondruis.

De Grote Deeltjesjacht: Op zoek naar de "Grote Baas" en de "Sidekick"

De ATLAS-Collaboratie, een gigantisch team van wetenschappers die werkt met de ATLAS-detector bij CERN, heeft onlangs een zoektocht naar deze ongrijpbare deeltjes gepubliceerd. Ze namen een enorme dataset van proton-protonbotsingen mee—in feite het tegen elkaar aan smijten van minuscule deeltjes bij bijna de snelheid van het licht—verzameld tussen 2016 en 2018. Dit komt overeen met een overweldigende hoeveelheid data, ongeveer 126 tot 136 inverse femtobarn (een eenheid van meting voor hoeveel botsingen ze hebben geobserveerd). Ze zochten naar een specifiek evenement: een zwaar scalair deeltje, genaamd $X$, dat uiteenvalt in een Standaardmodel Higgs-boson ($H$) en een nieuw, lichter scalair deeltje ($S$). Beiden vallen vervolgens onmiddellijk uiteen in paren van bottom-anti-bottom quarks, wat resulteert in een eindtoestand van vier bottom-quarks ($b\bar{b}b\bar{b}$).

Denk aan het experiment als het proberen te vinden van een specifieke, zeldzame smaak ijs in een enorme, chaotische ijssalon. De ijssalon is de LHC, en de "smaak" is de vier bottom-quarks. Het probleem is dat de winkel ongelooflijk luidruchtig is; meestal krijg je alleen maar bollen van vanille of chocolade (veelvoorkomende achtergrondgebeurtenissen zoals top-quarks of willekeurige jets van deeltjes). Om de zeldzame smaak te vinden, moest het team een zeer geavanceerd filter bouwen.

Ze splitsen hun zoektocht op in twee verschillende strategieën, afhankelijk van hoe zwaar de "Grote Baas" ($X$) en de "Sidekick" ($S$) zouden kunnen zijn.

1. Het Resolved Channel: Als de deeltjes niet te zwaar zijn, vliegen ze langzaam uit elkaar. Het team zoekt naar vier duidelijke, afzonderlijke jets van deeltjes (als vier aparte ijsbollen).
2. Het Mixed Channel: Als de "Grote Baas" extreem zwaar is, vliegt hij met zoveel energie weg dat het Higgs-boson dat hij creëert "geboost" wordt (super snel beweegt). In dit geval worden de vervalproducten van het Higgs-boson zo dicht op elkaar geperst dat ze eruitzien als één enkele, gigantische jet (als een grote, samengeperste scoop). De "Sidekick" is nog steeds afzonderlijk.

Om de enorme hoeveelheid data en de lastige achtergrondruis aan te kunnen, gebruikte het team niet alleen standaard wiskunde. Ze maakten gebruik van enkele geavanceerde kunstmatige intelligentietechnieken. Ze gebruikten Gaussian Processes (een fancy statistisch hulpmiddel dat helpt bij het voorspellen van vormen) en Normalizing Flows (een type AI dat leert hoe je eenvoudige data transformeert in complexe patronen). Stel je voor dat je de vorm van een verborgen object probeert te raden door naar de schaduw ervan te kijken vanuit verschillende hoeken; deze AI-tools hielpen hen om de "schaduw" van de achtergrondruis zo perfect te modelleren dat ze zelfs de kleinste afwijking konden opmerken waar een nieuw deeltje zich voor zou kunnen verbergen.

Ze scanden een enorm bereik aan mogelijkheden. Ze zochten naar de "Grote Baas" ($X$) met massa's variërend van 300 GeV tot 6 TeV (dat is 6.000 keer zwaarder dan een proton!), en de "Sidekick" ($S$) van 70 GeV tot 5 TeV. Ze controleerden meer dan 80 verschillende massacombinaties, waarmee ze effectief elke mogelijke massa voor deze hypothetische deeltjes testten.

Het Vonnis: Stilte in de Data

Na het verwerken van de cijfers en het draaien van hun AI-modellen, was de uitslag duidelijk: er werden geen nieuwe deeltjes gevonden.

De data zagen er precies zo uit als wat het Standaardmodel voorspelt. Er was geen "bump" in de grafiek, geen onverwachte piek die de komst van de "Grote Baas" zou signaleren. Het team stelde strikte bovengrenzen vast aan hoe vaak deze deeltjes zouden kunnen voorkomen. Als ze al bestaan, zijn ze zo zeldzaam dat hun productiepercentage minder dan 0,7 femtobarn tot 2,6 picobarn moet zijn (afhankelijk van hun massa). Om dit in perspectief te plaatsen: als je je voorstelt dat de LHC een fabriek is die triljoenen botsingen produceert, dan zouden deze deeltjes zo zeldzaam zijn dat je een ongelooflijk lange tijd zou moeten wachten om er zelfs maar één te zien.

Het team merkte wel één klein, eenzaam piekje op bij een massa van 300 GeV voor de "Grote Baas" en 170 GeV voor de "Sidekick", maar het was niet significant genoeg voor een ontdekking. Het was slechts een statistische fluctuatie, zoals het horen van een geluid in het donker dat achteraf gewoon de wind blijkt te zijn en geen spook. De significantie was slechts 1,8 standaarddeviaties, wat in de deeltjesfysica wordt beschouwd als hooguit een "misschien", maar meestal gewoon ruis.

Interessant genoeg controleerde het team ook de specifieke massapunten waar een ander experiment, CMS, eerder een lichte aanwijzing (een "geest" die ze dachten te zien) had gerapporteerd. Het ATLAS-team onderzocht die exacte plekken met hun nieuwe, gevoeligere instrumenten en vond niets. Hun limieten waren effectief sterker dan de eerdere resultaten van CMS, waarmee ze de mogelijkheid dat de CMS-"geest" een echt deeltje was, effectief uitsloten.

Wat dit Betekent

Dit artikel is een "null result", wat in de wetenschap vaak net zo belangrijk is als een ontdekking. Door deze deeltjes niet te vinden, heeft het ATLAS-team een zeer scherpe lijn in het zand getrokken. Ze hebben ons verteld dat als deze specifieke soorten "Grote Baas"- en "Sidekick"-deeltjes bestaan, ze zich op een plek verbergen waar we nog niet hebben gekeken, of dat ze veel zeldzamer zijn dan de meest optimistische theorieën suggereerden.

De studie toonde ook een nieuwe manier van natuurkunde bedrijven aan. Door geavanceerde AI (Gaussian processes en normalizing flows) te gebruiken om de achtergrondruis te modelleren, waren ze in staat een veel duidelijker beeld van de data te krijgen dan ooit tevoren. Deze "data-gedreven" aanpak betekent dat ze niet langer zo sterk hoefden te vertrouwen op theoretische gissingen over hoe de achtergrond eruit zou moeten zien; ze lieten de data voor zichzelf spreken.

Dus, hoewel de "Grote Baas" en de "Sidekick" nog steeds ongrijpbaar blijven, gaat de jacht door. Het ATLAS-team heeft een groot deel van het bos vrijgemaakt, door ons precies te laten zien waar deze deeltjes niet zijn. Dit hels andere wetenschappers om hun theorieën te verfijnen en te beslissen waar ze de volgende keer moeten zoeken. Het universum zit nog steeds vol geheimen, maar dankzij deze zoektocht weten we iets meer over waar die geheimen zich niet verschuilen.