Als het om quarks gaat, die van de derde generatie (de boven- en onderkant) zijn zeker de meest fascinerende en intrigerende. metaforisch, we zouden hun sociale leven classificeren als vrij afgezonderd, omdat ze niet veel omgaan met hun familieleden van de eerste en tweede generatie. Echter, als de echte aristocraten van de wereld van de deeltjesfysica, ze genieten van bevoorrechte en intense interacties met het Higgs-veld; het is de intensiteit van deze interactie die uiteindelijk bepalend is voor zaken als de kwantumstabiliteit van ons universum. Hun sociale leven kan ook een donkere kant hebben, omdat ze betrokken kunnen zijn bij interacties met donkere materie.

Deze speciale status van quarks van de derde generatie maakt hen belangrijke spelers in de zoektocht naar fenomenen die niet voorzien zijn door het standaardmodel. Een nieuw resultaat dat is vrijgegeven door de ATLAS-samenwerking bij CERN, richt zich op modellen van nieuwe fenomenen die een verhoogde opbrengst van botsingen met bodemquarks en onzichtbare deeltjes voorspellen. Een tweede nieuwe ATLAS-zoekopdracht houdt rekening met de mogelijke aanwezigheid van toegevoegde tau-leptonen. Samen, deze resultaten stellen sterke beperkingen aan de productie van partners van de b-quarks en van mogelijke donkere-materiedeeltjes.

Op zoek naar de supersymmetrische bodem…

De supersymmetrische partner van de bottom-quark (de scalaire bodem) is een van de meest gewilde nieuwe deeltjes in de Large Hadron Collider (LHC). Tijdens Run 1 van de LHC (2010-2013), natuurkundigen waren in staat om sterke beperkingen op te leggen aan de massa van de scalaire bodem in zijn meest natuurlijke vervalmodi. Die beperkingen zijn alleen maar sterker geworden naarmate wetenschappers gegevens van Run 2 (2015-2018) hebben bestudeerd. De nieuwste resultaten van de ATLAS-samenwerking gaan nog een stap verder:niet alleen hebben natuurkundigen de volledige reeks botsingen van Run 2 onderzocht, ze hebben nieuwe technieken gebruikt om zich te richten op minder gebruikelijke scalair-bodemvervalmodi en moeilijkere massahiërarchieën.

Het eerste nieuwe resultaat van ATLAS richt zich op scalair-bodemverval dat niet vaak wordt onderzocht, namelijk het verval in b-quarks, Higgs-bosonen en kandidaat-deeltjes van donkere materie. Als aanvulling op een eerdere ATLAS-studie (zie afbeelding), het nieuwe resultaat zoekt naar een paar tau-leptonen geproduceerd in het verval van het Higgs-boson. Identificeren - of liever, verkeerde identificatie - deze tau-leptonen was een van de meer uitdagende aspecten van deze studie. Om dit te overwinnen, Natuurkundigen van ATLAS ontwikkelden een speciale techniek voor achtergrondschatting, gebaseerd op de definitie van een zorgvuldig ontworpen set controlemonsters. Dit gaf hen een nauwkeurige schatting van de moeilijke achtergrondcomponent die voortkwam uit verkeerde identificaties van tau-leptonen.

In een tweede nieuwe studie van scalaire-bottom-quarks, ATLAS-onderzoekers richtten hun aandacht op het verval van een paar-geproduceerde scalaire bodems naar een b-quark en een kandidaat-donkermateriedeeltje, resulterend in twee b-jets en ontbrekend transversaal momentum in de eindtoestand. Ze besteedden bijzondere aandacht aan "gecomprimeerde scenario's, " dat is, waarbij de massa van de scalaire bodem en die van de kandidaat voor donkere materie vergelijkbaar zijn. In die gevallen, de b-quarks die worden uitgezonden in het scalair-bodemverval hebben een zeer laag momentum, waardoor ze moeilijk te identificeren zijn.

Voor het eerst in ATLAS, natuurkundigen implementeerden machine learning-technieken en speciale reconstructie-algoritmen die gericht waren op het reconstrueren van het verplaatste bodem-hadron-verval, ongeacht de aanwezigheid van een jet. Samen met de verhoogde geïntegreerde helderheid van de LHC, deze technieken hebben ertoe bijgedragen dat de gevoeligheid van het ATLAS-experiment naar ongekende niveaus is gestegen.

… en zijn vrienden

Een van de dingen die deze eindtoestanden zo interessant maken, is dat ze ook gemeenschappelijk zijn voor andere nieuwe fenomenen, zoals leptoquarks. Dit zijn hypothetische deeltjes waarvan het verval het behoud van het aantal leptonen en baryonen zou schenden, die de waargenomen onbalans tussen materie en antimaterie van ons universum zou kunnen verklaren. Een specifieke familie van leptoquarks kan ten minste gedeeltelijk vervallen in een b-quark en een neutrino, wat opnieuw een eindtoestand oplevert met twee b-jets en een ontbrekend transversaal momentum. Meer generieke modellen van donkere materie, waarbij b-jets worden geproduceerd in samenwerking met de kandidaat-donkeremateriedeeltjes, zou ook dezelfde eindtoestand opleveren. Het nieuwe resultaat van ATLAS stelt ook concurrentielimieten voor deze scenario's - een belangrijke bijdrage aan het zoeken naar donkere materie of leptoquarks.

Tot slot

Het onderzoek naar de quarksector van de derde generatie - zowel in termen van precisiemetingen als in termen van zoeken naar nieuwe fenomenen die ermee samenhangen - moet worden toegeschreven aan de lange lijst van triomfen van de LHC. Deze kennis geeft tot nu toe aan dat de derde generatie zich gedraagt ​​zoals voorspeld door het Standaard Model. Alleen nader onderzoek en onderzoek zullen nieuwe antwoorden op de grote vragen van de derde generatie onthullen.