Sinds de ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012 de ATLAS-samenwerking bij CERN heeft geprobeerd de eigenschappen ervan te begrijpen. Eén vraag valt in het bijzonder op:waarom heeft het Higgs-deeltje de massa die het heeft? Experimenten hebben gemeten dat de massa ongeveer 125 GeV is, maar het standaardmodel impliceert dat het een veel grotere massa heeft en een zeer grote correctie in de wiskunde vereist om de theorie op één lijn te brengen met observatie, wat leidt tot het 'natuurlijkheidsprobleem'.

Deze discrepantie zou kunnen worden opgelost als er een nieuw type interactie zou bestaan, naast de vier bekende fundamentele krachten (zwaartekracht, elektromagnetisme, sterk en zwak). Deze interactie zou resulteren in nieuwe krachtdragende deeltjes (bosonen) met massa's die veel groter zijn dan alles wat momenteel in het standaardmodel zit. Onder verschillende theorieën die deze interactie beschrijven, zijn de "heavy vector triplet" (HVT) -modellen, die suggereren dat een nieuw deeltje - het "W prime" (W') -boson - zou kunnen worden geproduceerd met de botsingsenergieën die toegankelijk zijn bij de LHC. Zoals de naam impliceert, deze nieuwe zware deeltjes zouden interageren met de elektrozwakke kracht en, na te zijn geproduceerd in een botsing, zou zeer snel vervallen tot een W-boson en een Higgs-boson.

Een nieuwe zoekopdracht van de ATLAS-samenwerking, deze week uitgebracht op de Large Hadron Collider Physics-conferentie (LHCP 2021), stelt grenzen aan de massa van het W'-deeltje, met behulp van de volledige LHC Run 2-dataset verzameld tussen 2015 en 2018. De zoekopdracht is gericht op de "semi-eptonische" eindtoestand, waar het Higgs-deeltje vervalt in een paar b-quarks, en het W-boson vervalt in zowel een neutrino als een elektron, muon of tau-lepton.

Het brede scala aan mogelijke massa's voor het W'-boson - van 400 GeV tot 5 TeV - stelde natuurkundigen van ATLAS voor een aantal unieke uitdagingen. Als de W'-massa zich aan de zwaardere kant van de voorspellingen bevindt, het zou Higgs-bosonen produceren met hogere energieën en de resulterende b-quarks zouden twee "jets" (gecollimeerde sprays van deeltjes) uitzenden die zo dicht bij elkaar staan ​​dat ze verschijnen als een enkele straal met een grote straal in de ATLAS-detector. Kleinere W'-massa's, anderzijds, zou verschijnen als twee verschillende jets. Om rekening te houden met deze grote variatie aan functies, de nieuwe ATLAS-analyse bestudeerde meerdere verschillende kanalen, elk specifiek geoptimaliseerd om de beste gevoeligheid voor het nieuwe deeltje te bieden.

Zoals te zien is in figuur 2, veel veel gebruikelijkere standaardmodelprocessen kunnen resulteren in dezelfde signatuur als het W'-verval, dus het is van cruciaal belang om zoveel mogelijk van deze standaardmodelachtergrond te elimineren. Natuurkundigen van ATLAS gebruikten een multivariabel algoritme dat bepaalde kinematische kenmerken van b-quarkverval gebruikte om te proberen hun vervalstralen te onderscheiden van andere, lichtere smaken van hadronen, het creëren van "één b-tag" en "twee b-tag" regio's. Aanvullend, verbetering van de vorige zoektocht naar W'-bosonen met een gedeeltelijke Run 2-dataset, onderzoekers gebruikten nieuwe technieken om jets in de detector te identificeren en te meten. "TrackCaloCluster"-jets combineerden informatie van het innerlijke volgsysteem van ATLAS en de elektromagnetische calorimeter, terwijl jets met "variabele straal" Higgs-bosonen efficiënter kunnen identificeren door de straal van zijn vervalstralen te laten veranderen met verschillende hoeveelheden momentum.

Natuurkundigen vonden in hun zoektocht geen statistisch significant bewijs van een afwijking van het Standaardmodel. De resultaten werden gebruikt om nieuwe limieten vast te stellen, hier getoond, op de massa van een hypothetisch W'-boson, exclusief massa's tot 3,15 TeV, dat is een toename van bijna 12% ten opzichte van de vorige ATLAS-zoekopdracht naar een HVT W'-boson met een gedeeltelijke Run 2-dataset. De jacht op nieuwe fysica gaat door!