Det finns många öppna frågor om Standardmodellen för partikelfysik (SM), som för närvarande är den bästa beskrivningen vi har av partikelfysikens värld. Experimentella och teoretiska fysiker tävlar med varandra i en sund konkurrens för att granska SM och identifiera delar av den som kräver ytterligare förklaring, utöver modellens välkända brister, såsom neutrinomassor.
Experiment utförda vid LHC och andra anläggningar vid CERN kan upptäcka specifika signaturer där data avviker något från teoretiska förutsägelser. Det är avgörande att fortsätta undersöka om sådana potentiella avvikelser antingen kan avslöja ny fysik eller förklaras av SM.
För att skilja signalen från bakgrunden i ett experiment måste teoretiska fysiker beräkna alla komplexa processer med extrem precision. Detta innebär att undersöka fina detaljer, inklusive observerbara storheter som antalet händelser eller kinematiska detaljer för en specifik process som kan avslöja fotavtrycket av ett ännu okänt fenomen.
Sådana beräkningar förbättrar till exempel noggrannheten i massmätningarna av W-bosonen och toppkvarken, såväl som den starka kopplingskonstanten.
Den starka kraften och dess koppling är de minst kända av alla i SM, men de styr nästan varje process vid LHC. Dessutom hjälper precisionsberäkningar till att utveckla nya tekniker för att beskriva spridningsprocesser och hur man simulerar dem effektivt.
Dessa beräkningar var redan utmanande under LEP-eran, men LHC tog dem till en ny nivå, vilket ledde till en explosion i beräkningskomplexitet och därmed behovet av nya metoder för att beräkna spridningsprocesser.
Olika aspekter av precisionsberäkningar har blivit väsentliga för dataanalys i moderna experiment:till exempel behövs de för beräkning av komplexa spridningsamplituder som beskriver det slutliga tillståndet omedelbart efter en kollision, såsom produktionen av tre partiklar efter kollisionen av två protoner .
Ett framträdande exempel är associerad Higgs-bosonproduktion, specifikt med två toppkvarkar. På grund av de många möjliga produktionsmekanismerna och sluttillstånden kan ny fysik komma in på många olika sätt. Teoretiska fysiker måste därför beräkna varje produktionsläge med hög noggrannhet.
Att beräkna spridningsamplituder är bara en liten del av det bredare fältet för precisionsberäkningar. En annan är Monte Carlo-evenemangsgeneratorer. Dessa beräkningar syftar till att beskriva alla stadier av spridningsprocessen, från de få partiklar som produceras i kollisionen till de hundratals partiklar som observerats i detektorn. I varje steg tolkas den underliggande fysiken probabilistiskt och simuleras med Monte Carlo-metoder, som är väsentliga för simuleringar som kan användas av experiment som en robust kontroll över systematiska osäkerheter i deras analyser.
Ett avgörande exempel är vektor-boson-fusionen, där två kvarkar sprider och utbyter en svag boson som skapar en Higgs-boson, bland andra partiklar. Att beräkna denna process med en Monte Carlo-generator är en mycket komplex men viktig uppgift, eftersom ny fysik potentiellt kan gömma sig i detaljer om sluttillståndet.
"För några decennier sedan var detta inte möjligt. Nu visar vår förmåga att beskriva data med upp till 5 % noggrannhet eller bättre kraften i första principberäkningar och deras förmåga att exakt återspegla komplexiteten i en hadronkollidermiljö, t.ex. som LHC ser jag verkligen fram emot vad eran av High-Luminosity LHC och framtida kolliderar kommer att föra med sig, säger Pier Monni, en teoretisk fysiker vid CERN.
Tillhandahålls av CERN
