Figur 1:Post-fit-fördelningar av den kombinerade massan av W-boson- och Higgs-bosonkandidaterna i en signalregion av intresse för W'. (Här 2 b-taggen, sammanfogad region.) Den helfärgade regionen indikerar standardmodellens bakgrund, de svarta punkterna med felstaplar indikerar experimentdata, och den streckade linjen indikerar hypotetiska händelser för en 2 TeV W’ boson. Den nedre plotten visar förhållandet mellan data och den totala bakgrunden för standardmodellen. Upphovsman:ATLAS Collaboration/CERN
Sedan upptäckten av Higgs-bosonen 2012, ATLAS Collaboration vid CERN har arbetat för att förstå dess egenskaper. En fråga sticker särskilt ut:varför har Higgs -bosonen massan som den gör? Experiment har mätt dess massa till cirka 125 GeV - men standardmodellen antyder att den har mycket större massa och kräver en mycket stor korrigering av matematiken för att anpassa teori med observation, leder till "naturlighetsproblemet".
Denna diskrepans skulle kunna lösas om en ny typ av interaktion fanns, förutom de fyra kända grundkrafterna (gravitation, elektromagnetism, stark och svag). Denna interaktion skulle resultera i nya kraftbärande partiklar (bosoner) med massor som är mycket större än något för närvarande i standardmodellen. Bland flera teorier som beskriver denna interaktion finns "heavy vector triplet" (HVT)-modellerna, vilket tyder på att en ny partikel – "W prime" (W') bosonen – skulle kunna produceras med kollisionsenergierna som är tillgängliga vid LHC. Som namnet antyder, dessa nya tunga partiklar skulle interagera med den elektrosvaga kraften och, efter att ha producerats i en kollision, skulle mycket snabbt förfalla till ett W-boson och Higgs-boson.
En ny sökning från ATLAS Collaboration, släpptes denna vecka på Large Hadron Collider Physics-konferensen (LHCP 2021), sätter gränser för massan av W' boson, med den fullständiga LHC Run 2-datauppsättningen som samlades in mellan 2015 och 2018. Sökningen riktar sig till det "semileptoniska" sluttillståndet, där Higgs boson förfaller till ett par b-kvarker, och W-bosonen sönderfaller till både en neutrino och en elektron, muon eller tau lepton.
Figur 2:Kombinerade 95 % observerade (förväntade) uteslutningsgränser på produktionstvärsnittet av W'-bosonen visas med den svarta (blå) linjen. De lila och blå streckade linjerna indikerar det teoretiska tvärsnittet vs massan för en version av HVT -teorin med ett specifikt värde för kopplingen till standardmodellen W boson. Alla W-massor under och till vänster om varje streckad linje exkluderas för det värdet på kopplingen. Upphovsman:ATLAS Collaboration/CERN
Det breda utbudet av möjliga massor för W'-bosonen – från 400 GeV till 5 TeV – gav ATLAS-fysiker några unika utmaningar. Om W'-massan ligger i den tyngre änden av förutsägelserna, det skulle producera Higgs-bosoner med högre energier och de resulterande b-kvarkarna skulle sända ut två "strålar" (kollimerade sprayer av partiklar) som är så nära varandra att de ser ut som en enda stråle med en stor radie i ATLAS-detektorn. Mindre W-massor, å andra sidan, skulle framstå som två distinkta jetstrålar. För att ta hänsyn till denna stora variation av funktioner, den nya ATLAS-analysen studerade flera distinkta kanaler, var och en specifikt optimerad för att ge bästa känslighet för den nya partikeln.
Som framgår av figur 2, många mycket vanligare standardmodellprocesser kan resultera i samma signatur som W'-förfallet, så det är avgörande att eliminera så mycket av denna standardmodellbakgrund som möjligt. ATLAS-fysiker använde en multivariatalgoritm som använde vissa kinematiska egenskaper hos b-quarks sönderfall för att försöka skilja deras sönderfallsstrålar från andra, lättare smaker av hadroner, skapa "en b-tagg" och "två b-tagg"-regioner. Dessutom, förbättring av den tidigare sökningen efter W'-bosoner med en partiell Run 2-datauppsättning, forskare använde nya tekniker för att identifiera och mäta strålar i detektorn. "TrackCaloCluster"-jets kombinerade information från ATLAS inre spårningssystem och elektromagnetisk kalorimeter, medan "Variable Radius"-jetstrålar mer effektivt kunde identifiera Higgs-bosoner genom att tillåta radien för dess sönderfallsstrålar att förändras med olika mängd momentum.
Fysiker hittade inga statistiskt signifikanta bevis för en avvikelse från standardmodellen i sin sökning. Resultaten användes för att sätta nya gränser, visas här, på massan av ett hypotetiskt W'-boson, exklusive massor upp till 3,15 TeV, vilket är en ökning på nästan 12 % från den tidigare ATLAS-sökningen efter en HVT W'-boson med en partiell Run 2-datauppsättning. Jakten på ny fysik fortsätter!
