Observation of the electroweak production of $\gamma\gamma jj$ at $\sqrt{s}=13$ TeV in $140\ \text{fb}^{-1}$ of $pp$ collision data with the ATLAS detector

De Kosmische Pinballmachine en de Spookachtige Glitch

Stel je het universum voor als een gigantisch, onzichtbaar regelboek dat bepaalt hoe alles, van minuscule atomen tot massieve sterren, zich gedraagt. Decennialang hebben wetenschappers dit boek gelezen, en het meest succesvolle hoofdstuk tot nu toe heet het "Standaardmodel". Het is als een perfecte handleiding voor de deeltjes waaruit onze wereld bestaat, die voorspelt hoe ze met ongelooflijke precisie met elkaar interageren. Maar, net als bij elke goede mysteryroman, zijn er aanwijzingen dat de handleiding enkele pagina's mist. Natuurkenkundigen vermoeden dat er "nieuwe fysica" verborgen zit in de gaten—vreemde krachten of deeltjes die de huidige regels nog niet verklaren.

Om deze verborgen geheimen te vinden, bouwen wetenschappers enorme deeltjesversnellers, zoals de Large Hadron Collider (LHC) in Zwitserland. Denk aan de LHC als een kosmische pinballmachine waarbij ze protonen (de kleine bouwstenen van materie) tegen elkaar aan laten botsen met bijna de snelheid van het licht. Wanneer deze protonen botsen, creëren ze een chaotische explosie van energie die kortstondig nieuwe, zware deeltjes voortbrengt. Door het puin van deze crashes te bestuderen, kunnen wetenschappers controleren of de voorspellingen van het Standaardmodel standhouden of dat er iets vreemds gebeurt. Eén specifiek type botsing dat ze graag in de gaten houden, is wanneer twee lichtdeeltjes (fotonen) en twee jets van puin samen naar buiten vliegen. Als deze deeltjes op een manier interageren die de regels van het Standaardmodel breekt, zou dat de eerste aanwijzing kunnen zijn voor een heel nieuw hoofdstuk van de natuurkunde.

Het Vangen van de Spookachtige "Elektrozwakke" Dans

In deze nieuwe studie besloot de ATLAS-collaboratie, een enorm team van wetenschappers dat werkt met een gigantische detector genaamd ATLAS, op zoek te gaan naar een zeer specifieke, zeldzame gebeurtenis: de "elektrozwakke productie" van twee fotonen en twee jets. Om te begrijpen waarom dit zo belangrijk is, stel je voor dat twee dansers (de fotonen) en twee achtergronddansers (de jets) optreden op een podium. Normaal gesproken interageren deze dansers via de "sterke" kracht, wat lijkt op een luidruchtige, drukke menigte die hen rondduwt. Maar het team zocht naar een specifieke, stille dansbeweging die "elektrozwakke productie" wordt genoemd, waarbij de dansers interageren via een veel subtielere, spookachtige kracht die niet afhankelijk is van de luidruchtige menigte. Deze specifieke dans is gevoelig voor de "zelfinteractie" van de krachtdragende deeltjes, wat in feft essentieel test of de krachtvelden met elkaar kunnen communicen zonder hulp van buitenaf.

Het team analyseerde data van 140 biljard (140 fb⁻¹) protonbotsingen bij een energie van 13 TeV. Het was alsof men door een berg zand zocht naar een paar specifieke korrels goud. Ze moesten de "ruis" wegfilteren—de gemeenschappelijke, rommelige botsingen die de hele tijd plaatsvinden—en zich alleen concentreren op de gebeurtenissen waarbij twee geïsoleerde fotonen en twee jets in een zeer specifiek patroon verschenen, bekend als een "Vector Boson Scattering"-topologie. Dit patroon is als een handtekening die zegt: "Hé, dit was niet zomaar een willekeurige bult; dit was een bewuste, subtiele interactie."

Na al het harde werk van het sorteren van de data, vond het team waar ze naar op zoek waren. Ze observeerden de elektrozwakke productie van deze twee fotonen en twee jets met een statistische significantie van 6,2𝜎. In de wereld van de deeltjesfysica is een "5-sigma"-resultaat de gouden standaard voor het claimen van een ontdekking (het betekent dat er minder dan een kans op één op een miljoen is dat het resultaat een toevalstreffer is). Dus, met 6,2𝜎, suggereerde het team niet alleen dat dit gebeurt; ze observeerden het. Ze maten de snelheid van dit evenement, of de "doorsnede", als 13,8 +3,0 −2,6 fb. Wanneer ze dit vergeleken met de voorspelling van het Standaardmodel van 17,1 +2,4 −2,4 fb, zagen ze dat de cijfers in goede overeenstemming waren. Het universum volgt blijkbaar nog steeds de regels van de huidige instructiehandleiding voor deze specifieke dans.

Het Uitsluiten van de "Nieuwe Fysica" Monsters

Maar de wetenschappers stopten niet bij het simpelweg tellen van de dansers. Ze wilden zien of de dans net even anders was op een manier die zou kunnen wijzen op "nieuwe fysica". Ze gebruikten een wiskundig kader genaamd "Effectieve Veldtheorie" (EFT) om te zoeken naar anomalieën. Stel je het Standaardmodel voor als een perfect gladde dansvloer. Als er nieuwe, zware deeltjes of vreemde krachten ergens net buiten het zicht sluimerden, zouden ze de vloer licht hobbelig kunnen maken, waardoor de dansers struikelen of op vreemde manieren gaan draaien. Het team zocht naar deze "bulten" door de Wilson-coëfficiënten te controleren, wat getallen zijn die beschrijven hoe sterk deze potentiële nieuwe interacties zouden kunnen zijn.

Ze keken specifiek naar "anomalous quartic gauge couplings", wat chique termen zijn voor vreemde interacties tussen vier krachtdragende deeltjes. Als deze zouden bestaan, zouden ze een belangrijke aanwijzing zijn voor fysica buiten het Standaardmodel. Echter, na het verwerken van de cijfers, vond het team geen statistisch significante afwijkingen van het Standaardmodel. In plaats van een glitch te vinden, stelden ze strikte limieten aan hoe groot deze potentiële anomalieën konden zijn. Ze vonden dat de Wilson-coëfficiënten voor de meest gevoelige operatoren, fT5/Λ4 en fT8/Λ4, beperkt zijn tot de bereiken van [−0,400, 0,372] TeV⁻⁴ en [−0,220, 0,219] TeV⁻⁴, respectievelijk.

In gewone mensentaal betekent dit dat als er nieuwe, zware deeltjes of vreemde krachten zijn die deze specifieke dans proberen te verstoren, ze ofwel zeer zwak ofwel zeer zwaar zijn, verborgen buiten het bereik van de huidige data. Het artikel sluit het bestaan van nieuwe fysica niet volledig uit, maar het laat wel zien dat deze specifieke soorten "nieuwe fysica" niet sterk genoeg zijn om met de huidige data te worden waargenomen. De resultaten zijn consistent met het Standaardmodel, wat betekent dat de "spookachtige" elektrozwakke dans precies gebeurt zoals de oude regelhandleiding voorspelde, zonder dat er verrassende glitches zijn gedetecteerd. Hoewel dit misschien klinkt als een resultaat van "geen nieuwe ontdekkingen", is het eigenlijk een enorme overwinning voor het Standaardmodel, dat de robuustheid ervan bevestigt, zelfs in deze complexe, hoge-energiescenario's. Het team mat ook de gecombineerde snelheid van zowel de "luide" (QCD) als de "stille" (elektrozwakke) dansen, en vond een totale snelheid van 54,3 +4,6 −4,8 fb, wat eveneens overeenkwam met de theoretische voorspellingen.

Dus het verhaal eindigt met het feit dat het ATLAS-team erin is geslaagd om een zeldzame, subtiele dans in de chaos van de deeltjesversneller op te sporen. Ze bevestigden dat het gebeurt, maten hoe vaak het gebeurt, en controleerden of de dansers anything vreemds deden. Ze vonden niets vreemds, wat ons vertelt dat het universum nog steeds volgens de regels speelt die we kennen—voorlopig in ieder geval. Maar de jacht gaat door, want in de wereld van de deeltjesfysica kan het volgende zeldzame evenement wel eens de ontdekking zijn die eindelijk de ontbrekende pagina's van het kosmische regelboek onthult.