Search for high-mass resonances in photon-jet final states using 140 fb of $pp$ collisions at TeV with the ATLAS detector
Met behulp van 140 fb aan 13 TeV proton-proton botsingsdata heeft het ATLAS-experiment een zoektocht naar hoog-massa resonanties in foton-jet eindtoestanden uitgevoerd, waarbij geen significante afwijkingen van het Standaardmodel werden gevonden en strikte uitsluitingslimieten werden gesteld op de massa's van geëxciteerde quarks tot 6,0 TeV en de drempels van kwantumzwarte gaten tot 7,5 TeV.
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 opgebouwd uit een reeks fundamentele regels waar natuurkundigen decennia lang hebben geprobeerd een kaart van te maken. Deze kaart, bekend als het Standaardmodel, beschrijft succesvol de minuscule deeltjes waar alles wat we zien uit bestaat en hoe zij met elkaar interageren. Echter, de kaart is incompleet. Het laat diepe vragen onbeantwoord over waarom deeltjes de massa's hebben die ze hebben, waarom er precies drie families van materie zijn, en hoe zwaartekracht in het plaatje past. Om deze hiaten op te vullen, stellen wetenschappers nieuwe ideeën voor, waarbij zij suggereren dat de deeltjes die wij kennen eigenlijk gemaakt zouden kunnen zijn van kleinere, meer fundamentele bouwstenen, of dat er verborgen dimensies van de ruimte bestaan net buiten onze waarneming. Deze theorieën voorspellen het bestaan van zware, kortlevende deeltjes die zouden moeten verschijnen als we protonen met genoeg energie tegen elkaar aan laten botsen. Het vinden ervan zou ons begrip van de realiteit herschrijven, terwijl het niet vinden ervan wetenschappers helpt om in te perken waar de ware natuurwetten zich mogelijk verbergen.
Bij de Large Hadron Collider, een enorme ring die begraven ligt onder de grens van Frankrijk en Zwitserland, worden protonen versneld tot bijna de snelheid van het licht en op elkaar laten botsen. Het ATLAS-experiment, een van de gigantische detectoren rondom de botsingspunten, fungeert als een hogesnelheidscamera die het puin van deze crashes vastlegt. In een recente analyse heeft het ATLAS-team door een enorme collectie gegevens gescand die overeenkomt met 140 fb⁻¹ aan geïntegreerde luminositeit, zoekend naar een zeer specifieke signatuur: een hoogenergetisch foton, een lichtdeeltje, dat samen met een jet van deeltjes naar buiten vliegt. Deze combinatie is een helder signaal dat het verval van een nieuw, zwaar deeltje zou kunnen onthullen. De onderzoekers zochten naar twee hoofdtypen hypothetische objecten: geëxciteerde quarks, die zwaardere versies zouden zijn van de bouwstenen van materie, en kwantumzwarte gaten, microscopische versies van de kosmische reuzen die ontstaan uit ingestorte sterren.
Het team onderzocht de massa van de foton- en jetparen in elk opgenomen evenement. Als er een nieuw zwaar deeltje bestond, zou dit verschijnen als een plotselinge piek, of een "bult", in de data bij een specifieke massawaarde, die boven de vloeiende, voorspelbare achtergrond van de bekende fysica uitsteekt. De onderzoekers keken nauwgezet over een breed bereik van energieën, van de laagste massa's die zij betrouwbaar konden meten tot de hoogste energieën die de machine kan produceren. Ze verdeelden hun zoektocht ook in verschillende categorieën op basis van het type zwaar deeltje dat geproduceerd zou kunnen worden, waarbij ze zochten naar tekenen van lichte quarks, evenals naar zwaardere, minder voorkomende varianten zoals die met charm- of bottom-quarks. Ze keken zelfs naar de specifieke patronen die worden verwacht als microscopische zwarte gaten onmiddellijk worden gevormd en verdampen.
Het resultaat was een helder beeld van wat er niet is. De data vertoonden geen significante pieken of onverwachte excessen. De verdeling van de gebeurtenissen kwam perfect overeen met de voorspellingen van het Standaardmodel, zonder enig bewijs van nieuwe zware deeltjes die zich in de ruis zouden verbergen. Omdat er geen signaal werd gevonden, was het team in staat om strikte limieten te stellen aan wat er zou kunnen bestaan. Zij bepaalden dat als geëxciteerde quarks bestaan, ze zwaarder moeten zijn dan 6,0 TeV voor lichte versies, 3,5 TeV voor charm-versies en 2,6 TeV voor bottom-versies. Op dezelfde manier sloten zij het bestaan uit van kwantumzwarte gaten met massadrempels onder de 5,3 TeV in één theoretisch model en 7,5 TeV in een ander. Deze limieten zijn de meest strikte beperkingen tot nu toe voor deze specifieke scenario's in dit type botsing.
Dit werk vormt een belangrijke stap voorwaarts in de zoektocht naar nieuwe fysica, waarbij gebruik wordt gemaakt van de volledige dataset verzameld tijdens de tweede run van de Large Hadron Collider. Door een groter volume aan data te combineren met verfijnde technieken voor het identificeren van deeltjes en het wegfilteren van achtergrondruis, heeft de ATLAS-collaboratie de grenzen van wat we weten verlegd. Hoewel de zoektocht niet de nieuwe deeltjes heeft onthuld die sommige theorieën voorspelden, is de afwezigheid van een signaal een krachtig wetenschappelijk resultaat. Het vertelt theoretici dat als deze deeltjes bestaan, ze te zwaar zijn om geproduceerd te worden bij de huidige energieniveaus, wat de wetenschappelijke gemeenschap dwingt hun modellen te verfijnen en elders te kijken. De zoektocht gaat door, maar voor nu blijft het universum consistent met de bekende wetten, en de jacht op de volgende laag van de realiteit beweegt zich naar hogere energieën en nieuwe fronten.
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.