Het laatste ontbrekende deeltje van het standaardmodel, het Higgs-deeltje, werd in 2012 ontdekt in experimenten bij de Large Hadron Collider. Vanaf dat moment, op zoek naar nieuwe, verwante deeltjes is aan de gang. Voorspeld door verschillende theorieën die verder gaan dan de bekende natuurkunde, Higgs-bosonen met positieve of negatieve elektrische lading behoren tot de te observeren kandidaten. Maar bestaan ​​deze deeltjes echt?

Bij de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek CERN in de buurt van Genève, De tweede reeks botsingen van de Large Hadron Collider en het verzamelen van gegevens over deeltjes en hun verval is net afgelopen. De komende twee jaar zal het gaspedaal zal onderhoud ondergaan en de upgrades zullen worden voltooid. In de tussentijd, natuurkundigen analyseren intensief gegevens van de zojuist voltooide run. Hun onderzoek richt zich voornamelijk op het zoeken naar elementaire deeltjes buiten het standaardmodel, zoals het elektrisch geladen Higgs-deeltje. De meest recente analyse op dit gebied is uitgevoerd door een internationaal team van natuurkundigen die binnen het ATLAS-experiment werken. De groep bestond uit onderzoekers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau en vijf andere instellingen verspreid over de hele wereld.

"Het standaardmodel is een complexe theoretische structuur en beschrijft alle bekende elementaire deeltjes met uitstekende nauwkeurigheid. We weten, echter, dat het goed werkt voor experimenteel toegankelijke energieën. Bij echt hoge energieën, de voorspellingen van het standaardmodel vallen uiteen; vandaar de behoefte aan zogenaamde nieuwe fysica, " zegt Dr. Pawel Bruckman (IFJ PAN), en herinnert eraan dat klassieke mechanica, bijvoorbeeld, vertoont vergelijkbare kenmerken. Wanneer de energie van bewegende lichamen laag is, de beschrijving is exact. Echter, wanneer de snelheid vergelijkbaar wordt met de lichtsnelheid, De Newtoniaanse fysica moet plaatsmaken voor relativistische theorieën.

Ontdekt in 2012 door ATLAS- en CMS-experimenten, het neutrale Higgs-deeltje bevestigde het bestaan ​​van het mechanisme dat nodig is voor de consistentie van het standaardmodel. natuurkundigen, echter, zijn zich ervan bewust dat dit deeltje mogelijk slechts een deel is van een bredere Higgs-sector, voorspeld door de meeste theorieën die verder gaan dan de moderne deeltjesfysica. In de meest populaire supersymmetrische theorieën (waarbij elk bekend deeltje een exotisch, massievere superpartner), er zijn vijf Higgs-bosonen. Drie van hen, inclusief de standaard zijn elektrisch neutraal, terwijl de andere twee elektrisch geladen zijn (negatief en positief).

"We hebben een zeer breed scala aan massa's onderzocht. De massa van het proton, d.w.z. de kern van waterstof, is ongeveer één gigaelektronvolt. Beurtelings, de massa van de quark t, de meest massieve van de bekende elementaire deeltjes, is 173 gigaelektronvolt. We waren op zoek naar sporen van het bestaan ​​van een geladen Higgs in het massabereik van 90 gigaelektronvolt tot 2000 gigaelektronvolt, " legt promovendus Marzieh Bahmani (IFJ PAN) uit.

Het team richtte zich op die botsingen tussen quarks en gluonen, waarin de geladen Higgs-bosonen samen met de t-quark zouden worden geproduceerd, en vervolgens vervallen tot een tau-lepton (een veel massiever equivalent van het elektron) en het bijbehorende neutrino. Bij dergelijke evenementen, een paar neutrino's worden uitgestoten. Deze deeltjes interageren zwak met materie en zijn onzichtbaar voor de detectoren. Daarom, tijdens de selectie van verval, de hoeveelheid ontbrekende energie die neutrino's zouden wegdragen was belangrijk.

Voor het doel van de analyse, Onderzoekers in Krakau ontwikkelden en optimaliseerden een multivariate discriminantmethode. De techniek, gebaseerd op vele zorgvuldig geselecteerde variabelen en correlaties daartussen, maximaliseert de discriminatie van het verwachte signaal van de overweldigende achtergrond.

"Binnen de huidige gevoeligheid, we kunnen met een betrouwbaarheidsniveau van 95 procent zeggen dat we in het geselecteerde bereik van massa's geen geladen Higgs-bosonen hebben waargenomen. Dit is een zeer sterke beperking van de nieuwe theorieën. We zijn van plan om het nog verder te verbeteren in de volgende ronde van de analyse, door rekening te houden met alle gegevens van de onlangs voltooide tweede run van de LHC-versneller. Het is nog steeds mogelijk dat het geladen Higgs ergens verborgen is in het massabereik dat door onze analyse wordt gedekt, maar we zijn nog niet gevoelig genoeg om het signaal te zien, " zegt Dr. Anna Kaczmarska (IFJ PAN).

De resultaten van de analyse, gepubliceerd in de Journal of High Energy Physics , zijn bijzonder waardevol voor het selecteren van theoretische modellen die verder gaan dan de bekende fysica. De parameterruimte van deze modellen is aanzienlijk verkleind. Als gevolg hiervan, hun voorspellingen zullen nauwkeuriger en gemakkelijker te verifiëren zijn.