Search for resonant and nonresonant production of pairs of dijet resonances with b jets in the final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Het universum is gebouwd op een reeks regels die bekend staat als het Standaardmodel, een kader dat de fundamentele deeltjes en krachten die alles om ons heen vormen, succesvol beschrijft. Toch weten natuurkundigen dat dit beeld incompleet is. Het kan zwaartekracht, de aard van donkere materie of waarom er meer materie dan antimaterie in het kosmos is, niet verklaren. Om de ontbrekende stukjes te vinden, laten wetenschappers bij de Large Hadron Collider protonen tegen elkaar aan botsen met bijna de snelheid van het licht, waardoor een regen van nieuwe deeltjes ontstaat die een verborgen laag van de werkelijkheid zouden kunnen onthullen. Onder de meest veelbelovende theorieën zijn die welke de existentie voorspellen van zware, instabiele deeltjes die uiteenvallen in jets van gewone materie. Terwijl wetenschappers al lang zoeken naar enkelvoudige zware deeltjes die uit elkaar vallen, omvat een complexer scenario de creatie van paren van deze zware deeltjes, die vervolgens uiteenvallen in nog meer brokstukken. Deze specifieke zoektocht kijkt naar een zeldzame signatuur: twee paren deeltjesjets, waarbij elk paar een zwaar bottomquark bevat, een type materie dat zwaarder en zeldzamer is dan de gebruikelijke protonen en neutronen in onze alledaagse wereld.

In een recente studie onderzocht de CMS-Collaboratie bij CERN een enorme collectie botsingsdata om op zoek te gaan naar deze ongrijpbare paren. Ze analyseerden 138 eenheden data, bekend als femtobar, verzameld uit proton-protonbotsingen bij een energie van 13 tera-elektronvolt. Het team zocht naar twee verschillende mogelijkheden. De eerste was een niet-resonant proces, waarbij twee zware deeltjes onafhankelijk en simultaan worden gecreëerd, elk uiteenvallend in een bottomquark en een lichter quark. De tweede mogelijkheid betrof een resonant proces, waarbij eerst één enkel, nog zwaarder ouderdeeltje wordt gecreëerd, dat vervolgens splitst in de twee tussenliggende deeltjes voordat ze verder vervallen. In beide scenario's zou het eindresultaat vier afzonderlijke jets van energie zijn, waarvan er twee afkomstig zijn van bottomquarks. De onderzoekers gebruikten geavanceerde algoritmen om deze bottomquarks te identificeren en om de massa van de oorspronkelijke deeltjes te reconstrueren op basis van de energie van de resulterende jets.

De analyse richtte zich op het vinden van een "bump" of een gelokaliseerde overmaat in de data die zou moeten opvallen tegen de gladde, voorspelbare achtergrond van gewone deeltjesbotsingen. De achtergrondruis is immens, gegenereerd door de constante productie van jets in standaard kwantuminteracties, maar de onderzoekers ontwikkelden een methode om deze achtergrond direct vanuit de data zelf te modelleren, in plaats van uitsluitend te vertrouwen op theoretische voorspellingen. Ze sorteerden de gebeurtenissen op basis van de verhouding tussen de massa van de twee-jet-paren en de totale massa van alle vier de jets, een techniek die hielp om potentiële signalen te scheiden van de overweldigende achtergrond. Na het zeven van de data vond het team geen definitief bewijs van nieuwe deeltjes. De resultaten vertoonden geen duidelijke, statistisch significante piek die het bestaan van de voorspelde zware resonanties zou bevestigen.

Echter, de afwezigheid van een ontdekking stelde de wetenschappers in staat om strikte grenzen te stellen aan wat er zou kunnen bestaan. Ze bepaalden dat als bepaalde typen zware deeltjes, specifiek die voorspeld door een model dat betrokken is bij de schending van een symmetrie genaamd R-pariteit, al bestaan, ze zwaarder moeten zijn dan 0,8 tera-elektronvolt. Deze bevinding sluit effectief de existentie van deze deeltjes in het lagere massabereik uit dat eerdere experimenten nog niet volledig hadden verkend. Op dezelfde wijze sloot de zoektocht naar resonante zware diquark-deeltjes massa's tussen 2 en 7 tera-elektronvolt uit. Deze limieten zijn de eerste van hun soort voor dit specifieke type deeltjesverval waarbij bottomquarks betrokken zijn, en duwen de grens van wat bekend is over de mogelijke massa van nieuwe fysica op.

Ho hoewel de hoofdzoektocht zonder resultaat bleef, bevatte de data enkele intrigerende fluctuaties. In de zoektocht naar niet-resonante productie verscheen de meest opvallende afwijking van de verwachte achtergrond bij een massa van 1,0 tera-elektronvolt, met een statistische significantie van 2,1 standaarddeviaties. In de resonante zoektocht werd een iets grotere fluctuatie waargenomen bij een vier-jet-massa van 3,1 tera-elektronvolt, wat overeenkomt met een significantie van 2,6 standaarddeviaties. In de taal van de deeltjesfysica geven deze getallen aan dat hoewel de data op deze specifieke punten iets anders leek dan de achtergrondvoorspelling, het effect niet sterk genoeg is om als een ontdekking te worden beschouwd. Dergelijke fluctuaties komen af en toe voor door willekeurige statistische variaties, en de onderzoekers benadrukken dat zij niet gelden als bewijs voor nieuwe deeltjes.

De studie belichtte ook een specifieke gebeurtenis met de hoogst geregistreerde energie in de dataset, waarbij de vier jets samenkwamen tot een massa van 5,5 tera-elektronvolt. Deze enkele gebeurtenis, die in 2018 plaatsvond, bevatte twee paren jets die bijna identiek waren in massa en op een manier waren uitgelijnd die overeenkwam met de theoretische verwachtingen voor het signaal. Ondanks het opvallende karakter van deze gebeurtenis, was zij niet voldoende om de algemene conclusie omver te werpen, aangezien de rest van de data geen consistent signaal op dat energieniveau ondersteunde. De onderzoekers merkten op dat deze gebeurtenis voorkwam in de high-mass tail van de distributie, een regio waar statistische fluctuaties waarschijnlijker zijn.

Uiteindelijk vormt dit werk een belangrijke stap voorwaarts in de zoektocht naar fysica buiten het Standaardmodel. Door de zoektocht uit te breiden naar de inclusie van bottomquarks en door een breed scala aan massa's te dekken, heeft de samenwerking verschillende theoretische mogelijkheden die voorheen openstonden, gesloten. De resultaten bieden een helderder evenbeeld van het energielandschap, door wetenschappers te vertellen waar nieuwe deeltjes niet zijn, wat even waardevol is als vinden waar ze wel zouden kunnen zijn. De zoektocht gaat door, terwijl de Large Hadron Collider meer data verzamelt, maar voor nu blijft het universum zwijgzaam over het bestaan van deze specifieke paren zware deeltjes.