Visning av en kandidathändelse för nya tunga partiklar som sönderfaller till två elektroner i ATLAS-experimentet. Kredit:ATLAS Collaboration/CERN
Kan en Grand Unified Theory lösa de återstående mysterierna med Standardmodellen? Om verifierad, det skulle ge en elegant beskrivning av föreningen av standardmodellkrafter vid mycket höga energier, och kan till och med förklara förekomsten av mörk materia och neutrinomassor. Fysiker vid ATLAS-experimentet vid CERN letar efter bevis på nya tunga partiklar som förutsägs av sådana teorier, inklusive en neutral Z' gauge boson.
ATLAS-samarbetet har släppt sitt allra första resultat med användning av hela sin datauppsättning Large Hadron Collider (LHC) Run 2, insamlad mellan 2015 och 2018. Denna analys söker efter nya tunga partiklar som sönderfaller till dileptonsluttillstånd, där leptonerna är antingen två elektroner eller två myoner. Detta är ett av de mest känsliga förfallen för att söka efter ny fysik, tack vare ATLAS-detektorns utmärkta energi- och momentumupplösning för leptoner och den starka signal-till-bakgrundsdifferentieringen som ett resultat av den enkla tvåleptonsignaturen.
Det nya ATLAS-resultatet använder också en ny datadriven metod för att uppskatta standardmodellens bakgrund. Medan den tidigare analysen övervägande använde simuleringar för bakgrundsförutsägelsen och utfördes med en bråkdel av data, denna nya analys drar fördel av den enorma Run 2-datauppsättningen genom att anpassa de observerade data med en funktionell form motiverad av och validerad med vår förståelse av standardmodellens processer som bidrar till dessa händelser. Om närvarande, de nya partiklarna skulle visas som stötar ovanpå en mjukt fallande bakgrundsform, gör dem enkla att identifiera (se figur 2). Detta liknar ett av sätten som Higgs-bosonen upptäcktes 2012, genom dess sönderfall till två fotoner.
Uppmätt dielektronmassfördelning för data (svarta punkter), tillsammans med det totala bakgrundspassningsresultatet visas (röd kontinuerlig linje), med olika möjliga Z'-signalfördelningar överlagrade (streckad röd linje). Underpanelen visar betydelsen av avvikelsen mellan de observerade data och bakgrundsförutsägelsen i varje fack i distributionen. Kredit:ATLAS Collaboration/CERN
Förutom att sondera outforskat territorium i sökandet efter ny fysik, mycket arbete i denna analys har lagts ner på att förstå ATLAS-detektorn och samarbeta med de olika detektorprestandagrupperna för att förbättra identifieringen av mycket högenergielektroner och myoner. Detta inkluderade att ta hänsyn till mångfalden av spår i den inre delen av detektorn, eftersom det kontinuerligt ökade på grund av det stigande genomsnittliga antalet proton-protonkollisioner per korsning av gäng under körning 2.
Inga signifikanta tecken på ny fysik har observerats hittills. Resultatet sätter stränga begränsningar för produktionshastigheten för olika typer av hypotetiska Z'-partiklar. Förutom att sätta uteslutningsgränser för specifika teoretiska modeller, Resultatet har också tillhandahållits i ett generiskt format som gör det möjligt för fysiker att omtolka data under olika teoretiska antaganden. Denna studie har fördjupat utforskandet av fysiken vid energigränsen; ATLAS-fysiker är glada över att ytterligare analysera den stora Run 2-datauppsättningen.