Figur 1:Tillåtna intervall för kopplingskoefficienterna för nya EFT-interaktioner. Koefficienten cHq(3), till exempel, beskriver styrkan hos en effektiv fyrpartikelinteraktion mellan två kvarkar, en gauge boson och Higgs boson – som inte finns i standardmodellen. Standardmodellens förutsägelse för dessa koefficienter är noll. Kredit:ATLAS Collaboration/CERN
Fysiker vid CERNs Large Hadron Collider (LHC) är på jakt efter fysikfenomen utöver standardmodellen. Vissa teorier förutspår att en ännu oupptäckt partikel kan hittas i form av en ny resonans (en smal topp) som liknar den som förebådade upptäckten av Higgs-bosonen 2012.
Dock, Naturen är inte alltid så snäll och nya resonanser kan vara så massiva att deras produktion kräver kollisionsenergier utöver LHC:s. Om så är fallet, allt är inte förlorat. Precis som svagt sluttande terräng kan indikera närvaron av en bergstopp framför, LHC-data kan innehålla några antydningar om att intressanta fenomen finns på högre energiskalor.
En mycket effektiv modell
Istället för att leta efter en ny partikel, fysiker kan leta efter nya typer av interaktioner, finns inte i standardmodellen. Eftersom deras underliggande mekanismer är okända, dessa interaktioner kallas "effektiva" interaktioner, och deras ramverk "effektiv fältteori" (EFT). Nästan alla typer av ny fysik ger upphov till dessa nya interaktioner, med olika teoretiska modeller som lämnar olika fotspår på EFT. Dock, effekterna kan vara subtila, speciellt om fenomenen med hög massa ligger långt bortom räckhåll för LHC:s kollisionsenergi.
Eftersom dessa ytterligare interaktioner skulle påverka alla fysikprocesser, forskare vid ATLAS-experimentet implementerar en ny sökstrategi som kombinerar mätningar över hela spektrumet av deras forskningsprogram. En ny ATLAS-analys som släpps idag använder kombinerade mätningar av egenskaperna hos Higgs-bosonen för att söka efter tecken på nya fenomen med hjälp av detta EFT-ramverk. Eftersom inga sådana nya fenomen har setts, fysiker sätter begränsningar för deras storlek. Av alla möjliga nya interaktioner mellan standardmodellpartiklar, endast en delmängd relaterad till Higgs-bosonen kunde testas (de som studerades i den ursprungliga kombinerade mätningen, som inkluderar Higgs-boson-sönderfall till två b-kvarkar, två fotoner, och fyra leptoner).
Figur 1 visar de tillåtna intervallen för kopplingskoefficienterna för nya EFT-interaktioner som ATLAS-analysen är känslig för. Standardmodellen kräver att alla dessa koefficienter är noll, eftersom interaktionerna inte är närvarande. Betydande positiva eller negativa avvikelser skulle tyda på nya fenomen.
Alla ATLAS-mått är kompatibla med standardmodellen, indikerar att om ny fysik är närvarande, det är antingen på energiskalor som är större än 1 TeV (referensmassskalan för vilken dessa resultat rapporteras) eller så visar det sig i andra interaktioner som inte undersöks av denna studie. Sålänge, tack vare analysens utformning, resultaten kan läggas till bredare kombinationer, med EFT-mätningar som erhållits i andra mätkanaler och även i andra experiment.
Figur 2:Exkluderingsintervall för Mh125(χ)-scenariot, i termer av de två modellparametrarna:massan av pseudoskalär A och en annan modellparameter, tan β, som tillsammans och i första approximation bestämmer den utökade Higgs-bosonsektorn för MSSM. De blåstreckade och lila områdena exkluderas av de direkta sökningarna och det gula området exkluderas av den nya mätningen baserat på Higgs bosonegenskaper. Det grå området är exkluderat eftersom den resulterande MSSM Higgs bosonmassan inte skulle vara kompatibel med det uppmätta värdet på 125,09 GeV. Kredit:ATLAS Collaboration/CERN
En supermodell
Den minimala supersymmetriska standardmodellen (MSSM) är en förlängning av standardmodellen, som förutsäger (utöver en uppsjö av andra nya partiklar) totalt 5 Higgs-bosoner - två skalära (h och H), en pseudoskalär (A), och två laddade Higgs-bosoner (H +/- ) – samt möjliga modifieringar av interaktionerna mellan den observerade 125 GeV Higgs-bosonen.
Fysiker använder två kompletterande strategier för att söka efter ledtrådar till MSSM:letar direkt efter nya partiklar, eller indirekt genom exakta mätningar av Higgs bosonens egenskaper. I en annan ny analys släppt av ATLAS Collaboration, forskare följde den senare strategin, använder den senaste kombinationen av Higgs-kopplingsmätningar i alla tillgängliga avklingningskanaler för att ställa in begränsningar på MSSM-parametrar. De undersökte flera MSSM benchmarkscenarier, som alla antog att 125 GeV Higgs-bosonen var den lättaste skalära h.
Ett exempel visas i figur 2, där några av de nya partiklarna som förutspås i modellen är relativt lätta. Det visar att inte bara stora intervall av parameterutrymme utesluts, men att dessa uteslutningar också på ett bra sätt kompletterar dem från tidigare utförda direktsökningar.
Än så länge, standardmodellen vinner
ATLAS nya resultat sätter begränsningar för den möjliga naturen hos ny fysik under EFT-ramverket och utesluter stora delar av parameterutrymme i MSSM-scenarier. Deras framgång är bara det första steget i den nya sökstrategin för kombinerade mätningar. Genom att utöka omfattningen av framtida mätningar till att inkludera fler analyser – inklusive de som involverar vektorbosoner och toppkvarkar – och lägga till mer data, fysiker planerar att ge standardmodellen en ännu tuffare utmaning.
