Probing axion-like particles through associated gauge-boson recoil and polarization at the LHC

Het universum is gevuld met onzichtbare actoren. Terwijl het Standaardmodel van de deeltjesfysica de bekende deeltjes en krachten succesvol beschrijft, laat het de aard van donkere materie en de reden waarom het universum uit materie bestaat in plaats van antimaterie onbenoemd. Om deze hiaten op te vullen, stellen natuurkundigen de existentie van nieuwe, zwaardere deeltjes voor die nog niet zijn waargenomen. Onder de meest overtuigende kandidaten zijn axion-achtige deeltjes. Dit zijn hypothetische, spookachtige deeltjes die donkere materie en andere kosmische mysteries zouden kunnen verklaren. Men verwacht dat ze zeer zwak interageren met gewone materie, maar ze kunnen zichzelf af en toe onthullen door te transformeren in paren lichtdeeltjes die fotonen worden genoemd, of door te interageren met de zware dragers van de zwakke kernkracht, bekend als W- en Z-bosonen. Als deze deeltjes bestaan, zouden ze een unieke vingerafdruk achterlaten in het puin van hoogenergetische botsingen, die verschillend is van de vingerafdrukken die door bekende deeltjes zoals het Higgs-boson worden achtergelaten.

Bij de Large Hadron Collider, de krachtigste deeltjesversneller ter wereld, laten wetenschappers protonen tegen bijna de snelheid van het licht op elkaar botsen om de omstandigheden van het vroege universum te recreëren. Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe manier voorgesteld om naar deze ongrijpbare axion-achtige deeltjes te zoeken met behulp van de aanstaande High-Luminosity LHC, een geüpgradede versie van de machine die zal werken met een centrum-van-massa energie van 14 tera-elektronvolt en een geïntegreerde luminositeit van 3 inverse attobarn. Hun strategie richt zich op een specifiek scenario: een protonbotsing die een axion-achtig deeltje produceert samen met een W- of Z-boson. Het axion-achtige deeltje zou vervolgens vervallen in twee fotonen, terwijl het begeleidende W- of Z-boson zou vervallen in een geladen lepton, zoals een elektron of muon, en mogelijk een neutrino. De onderzoekers simuleerden miljarden van deze gebeurtenissen om te zien of het unieke gedrag van het axion-achtige deeltje onderscheiden kon worden van de overweldigende achtergrond van bekende processen uit het Standaardmodel.

De sleutel tot deze zoektocht ligt in hoe het axion-achtige deeltje interageert met het W- of Z-boson. In tegenstelling tot het Higgs-boson, dat op een eenvoudige, niet-derivatieve manier met deze krachtdragers interageert, interageert het axion-achtige deeltje via een complexer, momentum-afhankelijk mechanisme. Dit verschil in de onderliggende fysica bepaalt hoe de deeltjes na de botsing uiteen vliegen. Specifiek dwingt het axion-achtige deeltje het begeleidende W- of Z-boson om in een zeer specifieke richting te draaien, bekend als transversale polarisatie, en om met aanzienlijk hogere impuls terug te stoten dan een Higgs-boson zou doen. De onderzoekers realiseerden zich dat door de hoek te meten waaronder de vervalproducten van het W- of Z-boson verschijnen en door bij te houden hoe hard het boson wordt teruggestoten, ze het signaal van een nieuw deeltje konden scheiden van de ruis van bekende fysica.

Om dit idee te testen, voerde het team gedetailleerde computersimulaties van de botsingen uit, waarbij het gedrag van de detector en de complexe interacties van de deeltjes werden gemodelleerd. Ze richtten zich op een massabericht voor het axion-achtige deeltje tussen 20 en 200 gigaelektronvolt. Ze ontdekten dat door gebeurtenissen te selecteren waarbij de twee fotonen en het geladen lepton specifieke energie- en hoekkenmerken hadden, ze de achtergrondruis konden onderdrukken. Het krachtigste instrument in hun arsenaal was de "recoil" (terugslag) van het W- of Z-boson. Omdat de interactie van het axion-achtige deeltje het boson harder wegduwt, waren gebeurtenissen met een zeer energetisch boson veel waarschijnlijker een signaal dan achtergrondruis. Daarnaast onthulde de hoek van het geladen lepton ten opzichte van de richting van de vlucht van het boson de spintoestand van het boson. In het geval van een axion-achtig deeltje was het boson bijna uitsluitend transversaal gepolariseerd, terwijl een Higgs-achtig deeltje een mix van spintoestanden zou produceren, inclus of een significante longitudinale component.

De onderzoekers combineerden deze observaties met behulp van een geavanceerd machine learning-algoritme genaamd XGBoost, dat is ontworpen om complexe patronen in grote datasets te vinden. Ze trainden het algoritme om het gesimuleerde axion-achtige signaal te onderscheiden van de verschillende achtergrondprocessen, zoals de productie van een W- of Z-boson met twee fotonen uit standaard kwantumprocessen. De resultaten waren veelbelovend. Zelfs zonder te vertrouwen op de massa van het diphoton-paar om het deeltje te identificeren, kon het algoritme het signaal met hoge efficiëntie van de achtergrond scheiden. Wanneer ze de massainformatie toevoegden, werd de scheiding nog scherper. Voor een benchmarkscenario waarbij het axion-achtige deeltje een massa heeft van 100 gigaelektronvolt, suggereert de studie dat de High-Luminosity LHC deze deeltjes kan detecteren als hun koppeling aan het W-boson sterker is dan ongeveer 5,6 maal 10 tot de macht -3 inverse tera-elektronvolt. Dit vertegenwoordigt een significante verbetering ten opzien van de huidige limieten, wat potentieel een nieuw venster op de fysica van het vroege universum opent.

Misschien wel het belangrijkste is dat de studie aantoonde dat deze technieken meer konden dan alleen een nieuw deeltje vinden; ze konden ook helpen identificeren wat dat deeltje is. Als er een piek in de data verschijnt, zou dit veroorzaakt kunnen worden door een axion-achtig deeltje of door een ander, Higgs-achtig scalair deeltje met dezelfde massa. De onderzoekers lieten zien dat door de polarisatie en de recoil van het begeleidende boson te analyseren, zij het verschil konden bepalen tussen de twee. Het axion-achtige deeltje zou een duidelijk kenmerk van transversale polarisatie en hoge recoil achterlaten, terwijl het Higgs-achtige deeltje een ander patroon zou vertonen. Dit betekent dat als er een nieuwe resonantie wordt ontdekt, dezelfde gegevens die gebruikt worden om het te vinden, ook gebruikt kunnen worden om de fundamentele aard ervan te begrijpen, waardoor verschillende theorieën van nieuwe fysica van elkaar onderscheiden kunnen worden.

Het werk benadrukt dat het begeleidende gauge-boson niet slechts een label is om een gebeurtenis te markeren, maar een diagnostisch instrument dat de details van de interactie codeert. Hoewel de onderzoekers opmerkten dat experimentele snijvlakken en detectorbeperkingen deze subtiele kenmerken kunnen vervagen, tonen hun simulaties aan dat de onderliggende fysica robuust genoeg is om gedetecteerd te worden. Ze concludeerden dat door gebruik te maken van de unieke kinematische en polarisatie-eigenschappen van de geassocieerde productie, de High-Luminosity LHC in staat zal zijn om het bestaan van axion-achtige deeltjes met ongekende gevoeligheid te verkennen, wat potentieel een nieuwe laag van de realiteit onthult die verborgen ligt in de botsingen van protonen.