Natuurkundigen van CERN's Large Hadron Collider (LHC) zijn op jacht naar natuurkundige fenomenen die verder gaan dan het standaardmodel. Sommige theorieën voorspellen dat een nog onontdekt deeltje zou kunnen worden gevonden in de vorm van een nieuwe resonantie (een smalle piek) vergelijkbaar met degene die de ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012 aankondigde.

Echter, De natuur is niet altijd zo vriendelijk en nieuwe resonanties kunnen zo enorm zijn dat hun productie botsingsenergieën vereist die verder gaan dan die van de LHC. Als, alles is niet verloren. Net zoals zacht glooiend terrein kan wijzen op de aanwezigheid van een bergtop verderop, LHC-gegevens kunnen enkele hints bevatten dat interessante verschijnselen aanwezig zijn op hogere energieschalen.

Een zeer effectief model

In plaats van op zoek te gaan naar een nieuw deeltje, natuurkundigen kunnen zoeken naar nieuwe soorten interacties, niet aanwezig in het standaardmodel. Omdat hun onderliggende mechanismen onbekend zijn, deze interacties worden "effectieve" interacties genoemd, en hun raamwerk "effectieve veldtheorie" (EFT). Bijna alle soorten nieuwe fysica geven aanleiding tot deze nieuwe interacties, met verschillende theoretische modellen die verschillende sporen achterlaten op de EFT. Echter, de effecten kunnen subtiel zijn, vooral als de verschijnselen van hoge massa ver buiten het bereik van de botsingsenergie van de LHC liggen.

Aangezien deze extra interacties alle natuurkundige processen zouden beïnvloeden, wetenschappers van het ATLAS-experiment implementeren een nieuwe zoekstrategie die metingen over het volledige spectrum van hun onderzoeksprogramma combineert. Een nieuwe ATLAS-analyse die vandaag is vrijgegeven, maakt gebruik van gecombineerde metingen van de eigenschappen van het Higgs-deeltje om te zoeken naar tekenen van nieuwe fenomenen met behulp van dit EFT-raamwerk. Aangezien dergelijke nieuwe verschijnselen niet zijn waargenomen, natuurkundigen stellen beperkingen aan hun omvang. Van alle mogelijke nieuwe interacties tussen standaardmodeldeeltjes, alleen een subset gerelateerd aan het Higgs-deeltje kon worden getest (deze die werden bestudeerd in de oorspronkelijke gecombineerde meting, waaronder het verval van het Higgs-boson tot twee b-quarks, twee fotonen, en vier leptonen).

Figuur 1 toont de toegestane bereiken voor de koppelingscoëfficiënten van nieuwe EFT-interacties waarvoor de ATLAS-analyse gevoelig is. Het standaardmodel vereist dat al deze coëfficiënten nul zijn, omdat de interacties niet aanwezig zijn. Significante positieve of negatieve afwijkingen zouden wijzen op nieuwe verschijnselen.

Alle ATLAS-metingen zijn compatibel met het standaardmodel, wat aangeeft dat als nieuwe fysica aanwezig is, het is ofwel op energieschalen groter dan 1 TeV (de referentiemassaschaal waarvoor deze resultaten worden gerapporteerd) of het manifesteert zich in andere interacties die niet onderzocht zijn door deze studie. Ondertussen, dankzij het ontwerp van de analyse, de resultaten kunnen worden toegevoegd aan bredere combinaties, met EFT-metingen verkregen in andere meetkanalen en zelfs in andere experimenten.

Een supermodel

Het Minimal Supersymmetric standard model (MSSM) is een uitbreiding van het standaardmodel, die (naast een overvloed aan andere nieuwe deeltjes) in totaal 5 Higgs-bosonen voorspelt - twee scalaire (h en H), een pseudoscalair (A), en twee geladen Higgs-bosonen (H ^+/- ) - evenals mogelijke wijzigingen in de interacties van het waargenomen 125 GeV Higgs-boson.

Natuurkundigen gebruiken twee complementaire strategieën om naar hints van de MSSM te zoeken:direct zoeken naar nieuwe deeltjes, of indirect door nauwkeurige metingen van de eigenschappen van het Higgs-deeltje. In een andere nieuwe analyse vrijgegeven door de ATLAS-samenwerking, onderzoekers volgden de laatste strategie, met behulp van de nieuwste combinatie van Higgs-koppelingsmetingen in alle toegankelijke vervalkanalen om beperkingen op MSSM-parameters in te stellen. Ze onderzochten verschillende MSSM-benchmarkscenario's, die allemaal veronderstelden dat het 125 GeV Higgs-deeltje het lichtste scalaire h was.

Een voorbeeld wordt getoond in figuur 2, waarin sommige van de in het model voorspelde nieuwe deeltjes relatief licht zijn. Het laat zien dat niet alleen grote reeksen parameterruimte zijn uitgesloten, maar dat deze uitsluitingen ook een mooie aanvulling vormen op die van eerder uitgevoerde directe zoekopdrachten.

Tot dusver, het standaardmodel wint

De nieuwe resultaten van ATLAS stellen beperkingen aan de mogelijke aard van nieuwe fysica onder het EFT-raamwerk en sluiten grote delen van parameterruimte in MSSM-scenario's uit. Hun succes is slechts de eerste stap in de nieuwe zoekstrategie voor gecombineerde metingen. Door de reikwijdte van toekomstige metingen uit te breiden met meer analyses - inclusief die met vectorbosonen en top-quarks - en door meer gegevens toe te voegen, natuurkundigen zijn van plan om het standaardmodel een nog grotere uitdaging te geven.