Search for dark matter produced in association with a low-multiplicity jet in proton-proton collisions at = 13 TeV
Met behulp van 138 fb aan 13 TeV proton-proton botsingsdata van het CMS-experiment presenteert deze studie de eerste LHC-zoektocht naar donkere materie geproduceerd met een jet met een lage multipliciteit, waarbij machine learning wordt toegepast om bovengrenswaarden op 95% betrouwbaarheidsniveau voor productiedoorsneden binnen vereenvoudigde vector- en axiaal-vector mediator-modellen vast te stellen.
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 gevuld met zaken die we kunnen zien: sterren, gaswolken en de uitgestrekte, donkere leegtes tussen hen in. Toch weten astronomen dat de zichtbare materie slechts een klein deel vormt van wat er bestaat. De rest is een onzichtbare substantie genaamd donkere materie, die zwaartekracht uitoefent maar geen licht uitzendt of reflecteert. We weten dat het er is omdat de zwaartekracht ervan sterrenstelsels bij elkaar houdt, maar we hebben nog nooit direct een glimp opgevangen van een donkere materie-deeltje. Het blijft een van de grootste mysteries in de natuurkunde, een spookachtige aanwezigheid die het kosmos vormgeeft terwijl het zich verbergt voor onze krachtigste telescopen. Om het te vinden, moeten wetenschappers zoeken naar de subtiele voetafdrukken die het zou kunnen achterlaten wanneer het interactie heeft met gewone materie, of misschien wanneer het wordt gecreëerd in de gewelddadige botsingen van hoogenergetische deeltjes.
Bij de Large Hadron Collider, een enorme ring van magneten begraven onder de grens van Frankrijk en Zwitserland, laten natuurkundigen protonen tegen elkaar botsen met bijna de snelheid van het licht. Deze botsingen recreëren de extreme omstandigheden van het vroege universum, wat potentieel nieuwe, zware deeltjes kan voortbrengen die bijna onmiddellijk verdwijnen. In een recente studie zocht de CMS-collaboratie, een team van duizenden wetenschappers dat werkt met een van de gigantische detectoren van de collider, naar een zeer specifieke en ongebruikelijke signatuur van donkere materie. In plaats van te zoeken naar de gebruikelijke nevel van puin, zochten zij naar een scenario waarin donkere materie wordt geproduceerd naast een enkele, smalle jet van energie. Deze jet is niet de rommelige spray van deeltjes die typerend is voor hoogenergetische botsingen, maar een strakke, gefocuste straal met zeer weinig bestanddelen, die in zijn smalheid op een potlood lijkt.
De onderzoekers analyseerden gegevens die overeenkomen met een geïntegreerde luminositeit van 138 fb⁻¹, opgenomen tussen 2016 en 2018. Ze zochten naar gebeurtenissen waarbij deze smalle jet terugstootte tegen een grote hoeveelheid ontbrekende energie, wat zou aangeven dat onzichtbare donkere materie-deeltjes de detector waren ontsnapt. Omdat het signaal zo zwak is en gemakkelijk verborgen wordt door de achtergrondruis van gewone deeltjesinteracties, maakte het team gebruik van geavanceerde machine learning-tools. Deze computerprogramma's werden getraind om de subtiele verschillen te onderscheiden tussen de zeldzame donkere materie-signatuur en de veelvoorkomende achtergrondgebeurtenissen, waarbij ze fungeerden als een hooggevoelig filter om door de miljarden botsingen te zeven.
De zoektocht leverde geen bewijs voor donkere materie op. Het aantal geobserveerde gebeurtenissen kwam perfect overeen met de voorspellingen voor de standaardfysica, zonder onverwachte excessen die de aanwezigheid van nieuwe deeltjes zouden suggereren. Hoewel dit als een nulresultaat kan klinken, is het een krachtige bevinding omdat het wetenschappers in staat stelt specifieke theorieën over hoe donkere materie zich zou kunnen gedragen, uit te sluiten. Door het signaal niet te vinden, kon het team een breed scala aan mogelijkheden uitsluiten. Ze bepaalden dat als donkere materie-deeltjes een massa hebben van rond de 150 miljard elektronvolt, de deeltjes die de kracht tussen hen kunnen overbrengen (genaamd mediators) niet lichter kunnen zijn dan ongeveer 4,25 biljoen elektronvolt. Voor zwaardere donkere materie-deeltjes, rond de 550 miljard elektronvolt, zijn de mediators uitgesloten tot massa's van 3,5 biljoen elektronvolt.
Dit werk vertegenwoordigt de eerste keer dat de Large Hadron Collider specifiek heeft getarget op deze low-multiplicity jet-signatuur, een strategie die voorheen niet was verkend. Het feit dat de zoektocht zonder resultaat bleef, vertelt ons dat als donkere materie in deze specifieke vorm bestaat, het nog ongrijpbaarder is dan eerder gedacht, verborgen achter een hogere wand van energie dan wetenschappers hoopten te kunnen penetreren met de huidige gegevens. De resultaten bieden een duidelijke grens voor toekomstige zoektochten, waardoor theoretici worden gestuurd om in andere richtingen of bij hogere energieschalen te kijken. De zoektocht gaat door, maar voorlopig blijft de donkere sector verborgen, en houdt het universum zijn meest fundamentele geheim veilig voor de ogen van de detector.
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.