Forskargruppen av professor Matthias Schott från PRISMA+ Cluster of Excellence vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) har publicerat resultaten av en omfattande serie mätningar vid ATLAS-detektorn för Large Hadron Collider (LHC) till arXiv förtrycksserver. Uppgifterna registrerades under den andra körningen av LHC mellan 2015 och 2018.
Syftet med det experimentellt utmanande mätprogrammet är att söka efter axionliknande partiklar som skulle kunna produceras vid vissa sönderfall av Higgspartikeln – och eftersom nya partiklar kan förklara avvikelsen mellan det experimentellt bestämda anomala magnetiska momentet för myonen från dess teoretiska förutsägelse .
Arbetet representerar det experimentella testet av en axionsmodell utvecklad av Prof. Dr. Matthias Neubert, teoretisk fysiker och talesperson för PRISMA+, och är således ett idealiskt exempel på det värdefulla samspelet mellan teori och experiment på platsen i Mainz.
Axioner är hypotetiska elementarpartiklar som från början postulerades för att lösa en teoretisk brist i den starka interaktionen, det så kallade starka CP-problemet. Under många år har axioner eller axionliknande partiklar (ALP) också ansetts vara lovande kandidater för mörk materia.
"Mot denna bakgrund har fysiker utvecklat många experiment för att leta efter mycket lätta ALPs i synnerhet", förklarar Schott. "För första gången har vi föreslagit och implementerat ett detaljerat forskningsprogram vid ATLAS-experimentet av LHC, med vilket vi specifikt söker efter relativt tunga ALP:er - dessa kan i sin tur förklara pusslet med myonens anomala magnetiska ögonblick, som Matthias Neubert visade i en modell som utvecklades för några år sedan."
Tillsammans med Martin Bauer och Andrea Thamm postulerade Neubert 2017 att ATLAS kunde användas för att söka ett mycket stort utbud av lämpliga axionsmassor med mycket hög känslighet. För Schott var detta startpunkten för den framgångsrika ansökan om ERC-bidraget. "Jag har nu testat en stor del av parameterutrymmet i Neuberts modell med min grupp som en del av detta ERC-anslag och vi är mycket glada över att vi nu kan publicera de första resultaten."
Neubert, å sin sida, har sedan dess klargjort den förväntade effekten av ALP på muonmomentumet i en nyligen publicerad artikel publicerad i Journal of High Energy Physics med Anne Galda.
Serien av mätningar är baserad på idén att potentiella ALP:er måste kopplas till både myonen och fotoner för att förklara anomin i myonens magnetiska moment. Specifikt undersökte forskarna en teoretiskt postulerad sönderfallskedja där en Higgspartikel först sönderfaller till två ALP:er, och dessa i sin tur till två fotoner vardera (H à aa à 4ƴ). Syftet var att detektera kopplingen av ALP:erna till fotonerna i denna kedja.
"Vi hittade inga iögonfallande signaler som kunde indikera motsvarande ALP", förklarar Schott. "I det undersökta området kan vi därför utesluta axion-fotonkoppling med största sannolikhet." Men eftersom forskargruppen för första gången kunde söka i ett mycket stort parameterområde och var sex storleksordningar känsligare än tidigare mätningar, särskilt med avseende på kopplingshållfastheten, har de lyckats sätta de strängaste uteslutningsgränserna hittills för massan och kopplingshållfastheten för ALP.
Neubert säger, "Det speciella med den här mätningen är att ALP:er potentiellt kan detekteras via Higgs fysik. Vi befinner oss i högenergiområdet för partikelfysik och kan därmed spåra avvikelsen i det anomala magnetiska muonmomentet via omvandlingen av högt -energipartiklar Detta är ett komplement till den direkta mätningen av myonens egenskaper i lågenergiområdet som en del av muon g-2-experimentet, vilket är just det som gör det så spännande."
Den sönderfallsprocess som undersökts av Schotts grupp är experimentellt mycket utmanande, främst eftersom fotonerna som ska detekteras från ALP-sönderfall inte produceras vid kollisionspunkten för detektorn. "Vid normala partikelkollisioner möts partiklarna alltid exakt i mitten av detektorn. Och alla nya partiklar som skapas i denna kollision antar vi vanligtvis att deras resa börjar precis vid kollisionspunkten. De normala algoritmerna och kalibreringarna vi har är baserat just på denna hypotes", förklarar Schott.
"Men om det skapas nya partiklar som "lever" tillräckligt länge, så flyger dessa partiklar först en kort sträcka innan de sönderfaller. Det betyder att vårt ursprungliga antagande inte längre gäller och vi måste utveckla helt nya tillvägagångssätt för att också kunna se partiklar i detektorn som inte kommer från kollisionspunkten."
Specifikt, i Neuberts modell, sönderfaller Higgspartikeln först till två ALP omedelbart vid punkten för partikelkollisionen. ALP:erna flyger dock ett tag innan de sönderfaller till två fotoner, så att dessa fotoner produceras bort från kollisionspunkten. "Vi kallar dessa händelser med en förskjuten vertex - en förskjuten kollisionspunkt så att säga. Vi har nu lyckats göra en sådan mätning med fotoner för första gången."
Dessutom finns det en annan utmaning:om ALP:erna är jämförelsevis lätta, är fotonerna som de sönderfaller mycket nära varandra. Detektorn uppfattar de två fotonerna som en enda foton – om det inte finns en ny algoritm som är tränad att göra just det:det vill säga som kan känna igen fotoner som faktiskt rekonstruerades som en foton som två fotoner. "Vi kunde utveckla en sådan algoritm med hjälp av artificiell intelligens i form av neurala nätverk och på så sätt framgångsrikt lösa signaler från mycket kolinjära fotoner."
Men det finns mer. Även med de specialutvecklade algoritmerna, med vilka forskarna kan täcka ett mycket stort sökområde, kan de inte "fånga" alla ALP:er de vill rikta in sig på. För att också täppa till detta gap vill de använda FASER-experimentet, som nu har tagits i drift i en sidotunnel till LHC cirka 480 meter bakom ATLAS-experimentet.
Nyligen tillkännagav muon g-2-samarbetet på Fermilab ett nytt mätvärde för det anomala magnetiska momentet som är dubbelt så exakt som det föregående. PRISMA+-arbetsgruppen ledd av prof. Dr. Martin Fertl är den enda i Tyskland som är involverad i experimentella bidrag. Motparten är muon g-2 teoriinitiativet, en världsomspännande sammanslutning av mer än 130 fysiker som arbetar med teoretiska förutsägelser inom ramen för standardmodellen.
Även här ger Mainz-arbetsgrupperna av Prof. Dr. Achim Denig, Prof. Dr. Harvey Meyer, Prof. Dr. Marc Vanderhaeghen och Prof. Dr. Hartmut Wittig många viktiga bidrag – från mätning av experimentella indatavariabler till högprecisionsberäkning av bidragen från den starka interaktionen med hjälp av metoderna för gitterkvantkromodynamik på Mainz stordator MOGON-II.
Baserat på de senaste beräkningarna är det fortfarande inte klart om det finns en verklig diskrepans mellan teori och experiment och, om det finns, vilka teoretiska tillvägagångssätt som skulle kunna användas för att förklara det. Det visar dock återigen den stora expertis som PRISMA+-klustret i Mainz har i sökandet efter ny fysik – och här i synnerhet i samspelet mellan teori och experiment och användningen av kompletterande metoder för att svara på den moderna fysikens stora frågor.
"Vårt arbete som publiceras idag är ett viktigt bidrag här, även om det visar att utrymmet för modeller av ny fysik som vi kan testa experimentellt blir mindre och mindre", säger Schott och kategoriserar resultatet. "När det gäller ALP:er är dessa fortfarande lovande kandidater för mörk materia, men vi kan mycket troligt utesluta dem som orsaken till en diskrepans i myonens magnetiska ögonblick."
Mer information: Sök efter kort- och långlivade axionliknande partiklar i H → aa → 4γ sönderfall med ATLAS-experimentet vid LHC, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.03306
Anne Mareike Galda et al, ALP-LEFT Interference and the Muon (g − 2), Journal of High Energy Physics (2023). DOI:10.1007/JHEP11(2023)015. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.01338
Journalinformation: arXiv
Tillhandahålls av Johannes Gutenberg University Mainz
