Er zijn veel open vragen over het Standaardmodel van de deeltjesfysica (SM), dat momenteel de beste beschrijving is die we hebben van de wereld van de deeltjesfysica. Experimentele en theoretische natuurkundigen wedijveren met elkaar in een gezonde competitie om het SM nauwkeurig te onderzoeken en delen ervan te identificeren die verdere uitleg behoeven, naast de bekende tekortkomingen van het model, zoals de neutrinomassa's.

Experimenten uitgevoerd bij de LHC en andere faciliteiten bij CERN kunnen specifieke kenmerken detecteren waarbij de gegevens enigszins afwijken van theoretische voorspellingen. Het is van cruciaal belang om te blijven onderzoeken of dergelijke potentiële afwijkingen nieuwe natuurkunde kunnen onthullen of door de SM kunnen worden verklaard.

Om het signaal van de achtergrond in een experiment te onderscheiden, moeten theoretische natuurkundigen alle complexe processen met uiterste precisie berekenen. Dit omvat het onderzoeken van fijne details, inclusief waarneembare grootheden zoals het aantal gebeurtenissen of kinematische details van een specifiek proces die de voetafdruk van een nog onbekend fenomeen zouden kunnen onthullen.

Dergelijke berekeningen verbeteren bijvoorbeeld de nauwkeurigheid van de massametingen van het W-deeltje en de top-quark, evenals de sterke koppelingsconstante.

De sterke kracht en de koppeling ervan zijn het minst bekend van allemaal in de SM, maar toch beheersen ze bijna elk proces bij de LHC. Bovendien helpen precisieberekeningen bij het ontwikkelen van nieuwe technieken om verstrooiingsprocessen te beschrijven en hoe deze efficiënt te simuleren.

Deze berekeningen vormden al een uitdaging tijdens het LEP-tijdperk, maar de LHC bracht ze naar een nieuw niveau, wat leidde tot een explosie van rekencomplexiteit en dus de behoefte aan nieuwe methoden om verstrooiingsprocessen te berekenen.

Verschillende aspecten van precisieberekeningen zijn essentieel geworden voor data-analyse in moderne experimenten:ze zijn bijvoorbeeld nodig voor de berekening van complexe verstrooiingsamplitudes die de eindtoestand onmiddellijk na een botsing beschrijven, zoals de productie van drie deeltjes na de botsing van twee protonen .

Een prominent voorbeeld is de productie van Higgs-bosonen, specifiek met twee top-quarks. Vanwege de vele mogelijke productiemechanismen en eindtoestanden kan nieuwe natuurkunde op veel verschillende manieren hun intrede doen. Theoretische natuurkundigen moeten daarom elke productiemodus met een hoge nauwkeurigheid berekenen.

Het berekenen van verstrooiingsamplitudes is slechts een klein onderdeel van het bredere veld van precisieberekeningen. Een andere zijn Monte Carlo-gebeurtenisgeneratoren. Deze berekeningen zijn bedoeld om alle fasen van het verstrooiingsproces te beschrijven, van de weinige deeltjes die bij de botsing worden geproduceerd tot de honderden deeltjes die in de detector worden waargenomen. In elke fase wordt de onderliggende fysica probabilistisch geïnterpreteerd en gesimuleerd met Monte Carlo-methoden, die essentieel zijn voor simulaties die door experimenten kunnen worden overgenomen als een robuuste controle over systematische onzekerheden in hun analyses.

Een cruciaal voorbeeld is de vector-bosonfusie, waarbij twee quarks zich verspreiden en een zwak boson uitwisselen dat onder andere een Higgs-deeltje creëert. Het berekenen van dit proces met een Monte Carlo-generator is een zeer complexe maar belangrijke taak, omdat nieuwe natuurkunde zich mogelijk in details van de eindtoestand kan verbergen.

"Een paar decennia geleden was dit niet mogelijk. Nu toont ons vermogen om de gegevens te beschrijven met een nauwkeurigheid tot 5% of beter de kracht van berekeningen op basis van het eerste principe en hun vermogen om de complexiteit van een hadron-botsingsomgeving nauwkeurig weer te geven, zoals als de LHC kijk ik erg uit naar wat het tijdperk van de High-Luminosity LHC en toekomstige botsers zullen brengen", zegt Pier Monni, een theoretisch natuurkundige bij CERN.

Geleverd door CERN