Od wystrzelenia Wielkiego Zderzacza Hadronów naukowcy badają bozony Higgsa i szukają oznak fizyki wykraczających poza obecny model cząstek elementarnych. Naukowcy pracujący z detektorem ATLAS połączyli te dwa cele: ich najnowsza analiza nie tylko pogłębiła naszą wiedzę na temat wzajemnego oddziaływania bozonów Higgsa, ale także nałożyła większe ograniczenia na potencjalne zjawiska „nowej fizyki”.
Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) odniósł ogromny sukces dzięki odkryciu bozonu Higgsa, ostatniego brakującego elementu Modelu Standardowego i klucza do zrozumienia pochodzenia masy w cząstkach elementarnych. Jednak pomimo tego przełomu badacze nie znaleźli jeszcze żadnych dowodów na istnienie fizyki wykraczającej poza Model Standardowy, co jest źródłem ciągłej frustracji. Naukowcy przy CERN (Europejska Organizacja Badań Jądrowych) w Genewie pracują obecnie nad rozwiązaniem tego problemu, poprawiając precyzję pomiarów bozonu Higgsa, jednocześnie aktywnie poszukując oznak „nowej fizyki”.
Niedawne badanie przeprowadzone przez zespół eksperymentalny ATLAS w CERN i opublikowane w czasopiśmie „ Journal of High Energy Physicsilustruje to podwójne podejście. Zespół skupił się na obserwacji zdarzeń, które doprowadziły do powstania dwóch bozonów Higgsa, które następnie rozpadają się na wiele cząstek rodziny leptonów, głównie elektrony i miony.
Badanie produkcji par bozonów Higgsa
Wytwarzanie par bozonów Higgsa jest teoretycznie możliwe w ramach Modelu Standardowego, ale jest tak rzadkie, że naukowcy nie zaobserwowali tego jeszcze w istniejących danych. Niektóre modele teoretyczne wykraczające poza Model Standardowy sugerują jednak, że pary bozonów Higgsa mogłyby być produkowane częściej. Jeśli naukowcom uda się zidentyfikować przypadki wytwarzania par bozonów Higgsa na podstawie aktualnych danych, potwierdzi to istnienie nowej, nieznanej wcześniej klasy zjawisk fizycznych. W rezultacie zespół eksperymentalny ATLAS postawił ten rzadki proces w centrum swojej analizy.
„Badania eksperymentalne oddziaływań bozonów Higgsa ze sobą napotykają zasadniczy problem. Jest tak: w zderzeniach protonów w LHC bozony Higgsa pojawiają się na tyle rzadko, że jak dotąd nie wykryto ani jednego zdarzenia polegającego na wytworzeniu pary bozonów Higgsa, co na pierwszy rzut oka wydaje się absolutnie konieczne, jeśli chcemy przyjrzeć się interakcjom pomiędzy tymi cząstkami. Jak zatem możemy badać zjawisko, którego jeszcze nie zaobserwowano?” – pyta dr Bartłomiej Żabiński, fizyk z Instytutu Fizyki PAN, który koordynował międzynarodowy zespół odpowiedzialny za tę analizę.
Rola uczenia maszynowego w fizyce cząstek
W ramach Modelu Standardowego można dokonywać coraz precyzyjnych przewidywań dotyczących prawdopodobieństw różnych znanych procesów. Uzasadnieniem dla sugerowania nieoczekiwanych właściwości bozonów Higgsa lub istnienia nowej fizyki byłaby rozbieżność między przewidywaniami teoretycznymi a rzeczywistymi danymi z detektorów LHC. Działając wyłącznie w ramach Modelu Standardowego, fizycy biorący udział w eksperymencie ATLAS symulowali zatem (wraz z tłem) sygnały, które powinny pojawić się w detektorach w przypadku wystąpienia dwóch zjawisk bozonu Higgsa, a następnie normalizowali wyniki zgodnie z oczekiwaną ilość danych pochodzących z ich detektora. Ostatnim krokiem było porównanie uzyskanych w ten sposób wartości z wartościami uzyskanymi z poprzednich obserwacji. Użycie uczenie maszynowe w oparciu o drzewa decyzyjne pomogły w poszukiwaniu tych rzadkich procesów.
„Nasza analiza zdarzeń związanych z produkcją podwójnego bozonu Higgsa w stanie końcowym z wieloma leptonami uzupełnia badania przeprowadzone już nad innymi stanami końcowymi. Jak dotąd nie zauważyliśmy w danych z naszych detektorów niczego, co byłoby niezgodne z Modelem Standardowym. Wynik ten nie wyklucza jednak możliwości istnienia zjawisk „nowej fizyki”, a jedynie informuje, że ich możliwy wpływ na powstawanie par bozonów Higgsa jest nadal zbyt słaby, aby można było go dostrzec w dotychczas zebranych danych” – podsumowuje. Doktor Żabiński.
Perspektywy na przyszłość w LHC
W nadchodzących latach LHC ma przejść poważną modernizację. Intensywność wiązek wzrośnie wówczas dziesięciokrotnie, co spowoduje znaczny wzrost liczby zarejestrowanych zderzeń protonów. Ograniczenia narzucone przez obecną analizę produkcji i parametry opisujące oddziaływania bozonów Higgsa pozwalają fizykom mieć nadzieję, że być może już na początku następnej dekady będzie można wybrać z większej ilości danych pierwsze zdarzenia produkcji podwójnego Higgsa i zweryfikować dzisiejsze przewidywania w bezpośrednich obserwacjach zjawiska.
Odniesienie: „Poszukiwanie produkcji nierezonansowej pary bozonów Higgsa w stanach końcowych z leptonami, tausami i fotonami w zderzeniach pp przy $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV za pomocą detektora ATLAS” autorstwa The ATLAS, G. Aad, E. Aakvaag, B. Abbott, S. Abdelhameed, K. Abeling, NJ Abicht, SH Abidi, M. Aboelela, A. Aboulhorma, H. Abramowicz, H. Abreu, Y. Abulaiti, BS Acharya, A. Ackermann, C. Adam Bourdarios, L. Adamczyk, SV Addepalli, MJ Addison, J. Adelman, A. Adiguzel, T. Adye, AA Affolder, Y. Afik, MN Agaras, J. Agarwala, A. Aggarwal, C. Agheorghiesei, F. Ahmadov, WS Ahmed, S. Ahuja, X. Ai, G. Aielli, A. Aikot, M. Ait Tamlihat, B. Aitbenchikh, M. Akbiyik, TPA Åkesson, AV Akimov, D. Akiyama, NN Akolkar, S. Aktas, K. Al Khoury, GL Alberghi, J. Albert, P. Albicocco, GL Albouy, S. Alderweireldt, ZL Alegria, M. Aleksa, IN Aleksandrov, C. Alexa, T. Alexopoulos, F. Alfonsi, M. Algren, M. Alhroob, B. Ali, HMJ Ali, S. Ali, SW Alibocus, M. Aliev, G. Alimonti, W. Alkakhi, C. Allaire, BMM Allbrooke, JF Allen, Kalifornia Allendes Flores, PP Allport, A. Aloisio, F. Alonso, C. Alpigiani, ZMK Alsolami, M. Alvarez Estevez, A. Alvarez Fernandez, M. Alves Cardoso, MG Alviggi, M. Aly, Y. Amaral Coutinho , A. Ambler, C. Amelung, M. Amerl, CG Ames, D. Amidei, KJ Amirie, SP Amor Dos Santos, KR Amos, S. An, V. Ananiev, C. Anastopoulos, T. Andeen, JK Anders, AC Anderson, SY Andrean, A. Andreazza, S. Angelidakis, A. Angerami, AV Anisenkov , A. Annovi, C. Antel, E. Antipov, M. Antonelli, F. Anulli, M. Aoki, T. Aoki, MA Aparo, L. Aperio Bella, C. Appelt, A. Apyan, SJ Arbiol Val, C. Arcangeletti, ATH Arce, E. Arena, JF. Arguin, S. Argyropoulos, J.-H. Arling, O. Arnaez, H. Arnold, G. Artoni, H. Asada, K. Asai, S. Asai, NA Asbah, RA Ashby Pickering, K. Assamagan, R. Astalos, KSV Astrand, S. Atashi, RJ Atkin , M. Atkinson, H. Atmani, PA Atmasiddha, K. Augsten, S. Auricchio, AD Auriol, VA Austrup, G. Avolio, K. Axiotis, G. Azuelos, D. Babal, H. Bachacou, K. Bachas, A. Bachiu, F. Backman, A. Badea, TM Baer, P. Bagnaia, M. Bahmani, D Bahner, K. Bai, JT Baines, L. Baines, OK Baker, E. Bakos, D. Bakshi Gupta, LE Balabram Filho, V. Balakrishnan, R. Balasubramanian, EM Baldin, P. Balek, E. Ballabene, F. Balli, LM Baltes, WK Balunas, J. Balz, I. Bamwidhi, E. Banas, M. Bandieramonte, A. Bandyopadhyay, S. Bansal, L. Barak, M. Barakat, EL Barberio, D. Barberis, M. Barbero, MZ Barel, KN Barends, T. Barillari, MS. Barisits, T. Barklow, P. Baron, DA Baron Moreno, A. Baroncelli, G. Barone, AJ Barr, JD Barr, F. Barreiro, J. Barreiro Guimarães da Costa, U. Barron, MG Barros Teixeira, S. Barsov , F. Bartels, R. Bartoldus, AE Barton, P. Bartos, A. Basan, M. Baselga, A. Bassalat, MJ Basso, S. Bataju, R. Bate, RL Bates, S. Batlamous, B. Batool, M. Battaglia, D. Battulga, M. Bauce, M. Bauer, P. Bauer, LT Bazzano Hurrell, JB Beacham, T. Beau, JY Beaucamp, PH Beauchemin, P. Bechtle, HP Beck, K. Becker, AJ Beddall, VA Bednyakov, CP Bee, LJ Beemster, TA Beermann, M. Begalli, M. Begel, A. Behera, JK Behr, JF Beirer, F. Beisiegel, M. Belfkir, G. Bella, L. Bellagamba , A. Bellerive, P. Bellos, K. Beloborodov, D. Benchekroun, F. Bendebba, Y. Benhammou, KC Benkendorfer, L. Beresford, M. Beretta, E. Bergeaas Kuutmann, N. Berger, B. Bergmann, J. Beringer, G. Bernardi, C. Bernius, FU Bernlochner, F. Bernon, A Berrocal Guardia, T. Berry, P. Berta, A. Berthold, S. Bethke, A. Betti, AJ Bevan, NK Bhalla, S. Bhatta, DS Bhattacharya, P. Bhattarai, KD Bhide, VS Bhopatkar, RM Bianchi, G. Bianco, O. Biebel, R. Bielski, M. Biglietti, CS Billingsley, M. Bindi, A. Bingul, C. Bini, A. Biondini, GA Bird, M. Birman, M. Biros, S. Biryukov, T. Bisanz, E. Bisceglie, JP Biswal, D. Biswas, I. Bloch, A. Blue, U. Blumenschein, J. Blumenthal, VS Bobrovnikov, M. Boehler, B. Boehm, D. Bogavac, AG Bogdanchikov , C. Bohm, V. Boisvert, P. Bokan, T. Bold, M. Bomben, M. Bona, M. Boonekamp, CD Booth, AG Borbély, IS Bordulev, HM Borecka-Bielska, G. Borissov, D. Bortoletto, D. Boscherini, M. Bosman, JD Bossio Sola, K. Bouaouda, N. Bouchhar, L. Boudet, J. Boudreau, EV Bouhova-Thacker, D. Boumediene, R. Bouquet, A. Boveia, J. Boyd, D. Boye, IR Boyko, L. Bozianu, J. Bracinik, N. Brahimi, G. Brandt, O. Brandt, F. Braren, B. Brau, JE Brau, R. Brener, L. Brenner, R. Brenner, S. Bressler, G. Brianti, D. Britton, D. Britzger, I. Brock, G. Brooijmans, EM Brooks, E. Brost, LM Brown, LE Bruce, TL Bruckler, PA Bruckman de Renstrom, B. Brüers, A. Bruni, G. Bruni, M. Bruschi, N. Bruscino, T. Buanes, Q. Buat , D. Buchin, AG Buckley, O. Bulekov, BA Bullard, S. Burdin, CD Burgard, AM Burger, B. Burghgrave, O. Burlayenko, J. Burleson, JTP Burr, JC Burzynski, EL Busch, V. Büscher, PJ Bussey, JM Butler, CM Buttar, JM Butterworth, W. Buttinger, CJ Buxo Vazquez, AR Buzykaev, …, S. Wada, C. Wagner, JM Wagner, W. Wagner, S. Wahdan, H. Wahlberg, M. Wakida, J. Walder, R. Walker, W. Walkowiak, A. Wall, EJ Wallin, T. Wamorkar, AZ Wang, C. Wang, C. Wang, H. Wang, J. Wang, P. Wang, R. Wang, R. Wang, SM Wang, S. Wang, S. Wang, T. Wang, WT Wang, W. Wang, X. Wang, X. Wang, X. Wang, Y. Wang, Y. Wang, Y. Wang, Z. Wang, Z. Wang, Z. Wang, A. Warburton, RJ Ward, N. Warrack, S. Waterhouse, AT Watson, H. Watson, MF Watson, E. Watton, G. Watts, BM Waugh, JM Webb, C. Weber, HA Weber, MS Weber, SM Weber, C. Wei, Y. Wei, AR Weidberg, EJ Weik, J. Weingarten, C. Weiser, CJ Wells, T. Wenaus, B. Wendland, T. Wengler, NS Wenke, N. Wermes, M. Wessels, AM Wharton, AS White, A. White, MJ White, D. Whiteson, L. Wickremasinghe, W. Wiedenmann, M. Wielers, C. Wiglesworth, DJ Wilbern, HG Wilkens, JJH Wilkinson, DM Williams, HH Williams, S. Williams, S. Willocq, BJ Wilson, PJ Windischhofer, FI Winkel, F. Winklmeier, BT Winter, JK Winter, M. Wittgen, M. Wobisch, T. Wojtkowski, Z. Wolffs, J. Wollrath, MW Wolter, H. Wolters, MC Wong, EL Woodward, SD Worm, BK Wosiek, KW Woźniak, S. Woźniewski, K. Wraight, C. Wu, M. Wu, M. Wu, SL Wu, X. Wu, Y. Wu, Z. Wu, J. Wuerzinger, TR Wyatt, BM Wynne, S. Xella, L. Xia, M. Xia, M. Xie, S. Xin, A. Xiong, J. Xiong, D. Xu, H. Xu, L. Xu, R. Xu, T. Xu, Y. Xu, Z. Xu, Z. Xu, B. Yabsley, S. Yacoob, Y. Yamaguchi, E. Yamashita, H. Yamauchi, T. Yamazaki, Y. Yamazaki, J. Yan, S. Yan, Z. Yan, HJ Yang, HT Yang, S. Yang, T. Yang, X. Yang, X. Yang, Y. Yang, Y. Yang, Z. Yang, WM. Yao, H. Ye, H. Ye, J. Ye, S. Ye, X. Ye, Y. Yeh, I. Yeletskikh, B. Yeo, MR Yexley, TP Yildirim, P. Yin, K. Yorita, S. Younas, CJS Young, C. Young, C. Yu, Y. Yu, J. Yuan, M. Yuan, R. Yuan, L. Yue, M. Zaazoua, B. Żabinski, E. Zaid, ZK Zak, T. Zakareishvili, S. Zambito, JA Zamora Saa, J. Zang, D. Zanzi, O. Zaplatilek, C. Zeitnitz, H. Zeng, JC Zeng, DT Zenger Jr, O. Zenin, T. Ženiš, S. Zenz, S. Zerradi, D. Zerwas, M. Zhai, DF Zhang, J. Zhang, J. Zhang, K. Zhang, L. Zhang, L. Zhang, P. Zhang, R. Zhang, S. Zhang, S. Zhang, T. Zhang, X. Zhang, X. Zhang , Y. Zhang, Y. Zhang, Y. Zhang, Z. Zhang, Z. Zhang, Z. Zhang, H. Zhao, T. Zhao, Y. Zhao, Z. Zhao, Z. Zhao, A. Zhemchugov, J. Zheng, K. Zheng, X. Zheng, Z. Zheng, D. Zhong, B. Zhou, H. Zhou, N. Zhou, Y. Zhou, Y. Zhou, Y. Zhou, CG Zhu, J. Zhu, X. Zhu, Y. Zhu, Y. Zhu, X. Zhuang, K. Żukow, NI Zimine, J. Zinsser, M. Ziolkowski, L. Živković, A. Zoccoli, K. Zoch, TG Zorbas, O. Zormpa, W. Zou i L. Zwaliński, 21 sierpnia 2024 r., Journal of High Energy Physics.
DOI: 10.1007/JHEP08(2024)164
Ze strony polskiej badania były współfinansowane przez Narodowe Centrum Nauki.
