Het doel van het experimenteel uitdagende meetprogramma is om te zoeken naar axion-achtige deeltjes die zouden kunnen worden geproduceerd bij bepaald verval van het Higgs-deeltje – en omdat nieuwe deeltjes de afwijking van het experimenteel bepaalde afwijkende magnetische moment van het muon zouden kunnen verklaren van zijn theoretische voorspelling .

Het werk vertegenwoordigt de experimentele test van een axionmodel ontwikkeld door prof. dr. Matthias Neubert, theoretisch natuurkundige en woordvoerder van PRISMA+, en is daarmee een ideaal voorbeeld van de waardevolle wisselwerking tussen theorie en experiment op de locatie in Mainz.

Axionen zijn hypothetische elementaire deeltjes die aanvankelijk werden gepostuleerd om een ​​theoretische tekortkoming van de sterke interactie, het zogenaamde sterke CP-probleem, op te lossen. Jarenlang werden axionen of axion-achtige deeltjes (ALP's) ook beschouwd als veelbelovende kandidaten voor donkere materie.

"Tegen deze achtergrond hebben natuurkundigen talloze experimenten ontwikkeld om met name naar zeer lichte ALP's te zoeken", legt Schott uit. "Voor het eerst hebben we een gedetailleerd onderzoeksprogramma voorgesteld en geïmplementeerd bij het ATLAS-experiment van de LHC, waarmee we specifiek zoeken naar relatief zware ALP's - deze zouden op hun beurt de puzzel van het afwijkende magnetische moment van het muon kunnen verklaren, zoals Matthias Neubert liet het zien in een model dat een paar jaar geleden werd ontwikkeld."

Samen met Martin Bauer en Andrea Thamm postuleerde Neubert in 2017 dat ATLAS zou kunnen worden gebruikt om met een zeer hoge gevoeligheid een zeer groot bereik aan geschikte axionmassa's te doorzoeken. Voor Schott was dit het startpunt voor de succesvolle aanvraag voor de ERC-grant. "Ik heb nu met mijn groep een groot deel van de parameterruimte van het model van Neubert getest als onderdeel van deze ERC-grant en we zijn erg blij dat we nu de eerste resultaten kunnen publiceren."

Neubert van zijn kant heeft sindsdien het verwachte effect van ALP's op het muon-momentum verduidelijkt in een recent artikel gepubliceerd in het Journal of High Energy Physics met Anne Galda.

Een innovatieve experimentele prestatie

De reeks metingen is gebaseerd op het idee dat potentiële ALP's moeten koppelen aan zowel het muon als de fotonen om de anomalie in het magnetische moment van het muon te verklaren. Concreet onderzochten de onderzoekers een theoretisch gepostuleerde vervalketen waarin een Higgs-deeltje eerst vervalt in twee ALP's, en deze op hun beurt in elk twee fotonen (H à aa à 4ƴ). Het doel was om de koppeling van de ALP's aan de fotonen in deze keten te detecteren.

"We hebben geen opvallende signalen gevonden die op overeenkomstige ALP's zouden kunnen duiden", legt Schott uit. "In het onderzochte gebied kunnen we daarom axion-foton-koppeling met de grootst mogelijke waarschijnlijkheid uitsluiten." Omdat de onderzoeksgroep echter voor het eerst een zeer groot parameterbereik kon doorzoeken en zes ordes van grootte gevoeliger was dan eerdere metingen, vooral wat betreft de koppelingssterkte, zijn ze erin geslaagd de strengste uitsluitingslimieten tot nu toe vast te stellen voor de massa en koppelsterkte van ALP's.

Neubert:‘Het bijzondere aan deze meting is dat ALP’s potentieel kunnen worden gedetecteerd via de Higgs-fysica. We bevinden ons in het hoge-energiebereik van de deeltjesfysica en kunnen zo de discrepantie in het afwijkende magnetische muonmoment opsporen via de conversie van hoge -energiedeeltjes. Dit is een complementaire benadering van de directe meting van de eigenschappen van het muon in het lage-energiebereik als onderdeel van het muon g-2-experiment, en dat is precies wat het zo spannend maakt."

Nieuwe analyse-algoritmen gebaseerd op kunstmatige intelligentie

Het door de groep van Schott onderzochte vervalproces is experimenteel zeer uitdagend, vooral omdat de fotonen die moeten worden gedetecteerd door ALP-verval niet worden geproduceerd op het botsingspunt van de detector. "Bij normale deeltjesbotsingen ontmoeten de deeltjes elkaar altijd precies in het midden van de detector. En voor alle nieuwe deeltjes die bij deze botsing ontstaan, gaan we er doorgaans van uit dat hun reis precies op het botsingspunt begint. De normale algoritmen en kalibraties die we hebben zijn precies gebaseerd op deze hypothese", legt Schott uit.

‘Als er echter nieuwe deeltjes ontstaan ​​die lang genoeg ‘leven’, dan vliegen deze deeltjes eerst een klein stukje voordat ze vervallen. Dit betekent dat onze oorspronkelijke aanname niet meer opgaat en dat we compleet nieuwe benaderingen moeten ontwikkelen om ook deeltjes te kunnen zien. in de detector die niet afkomstig zijn van het botsingspunt."

Concreet vervalt in het model van Neubert het Higgs-deeltje eerst in twee ALP's onmiddellijk op het punt van de deeltjesbotsing. De ALP's vliegen echter een tijdje voordat ze elk in twee fotonen vervallen, zodat deze fotonen weg van het botsingspunt worden geproduceerd. "We noemen deze gebeurtenissen met een verplaatst hoekpunt – een verplaatst botsingspunt, om het zo maar te zeggen. We zijn er nu voor het eerst in geslaagd een dergelijke meting met fotonen uit te voeren."

Daarnaast is er nog een andere uitdaging:als de ALP’s relatief licht zijn, bevinden de fotonen waarin ze vervallen zich heel dicht bij elkaar. De detector neemt de twee fotonen waar als één enkel foton, tenzij er een nieuw algoritme is dat is getraind om precies dat te doen:dat wil zeggen dat het fotonen die feitelijk als één foton zijn gereconstrueerd, kan herkennen als twee fotonen. "We hebben een dergelijk algoritme kunnen ontwikkelen met behulp van kunstmatige intelligentie in de vorm van neurale netwerken en zo met succes signalen van zeer collineaire fotonen kunnen oplossen."

Maar er is meer. Zelfs met de speciaal ontwikkelde algoritmen, waarmee de onderzoekers een heel groot zoekgebied kunnen bestrijken, kunnen ze niet alle ALP’s ‘vangen’ waarop ze zich willen richten. Om ook dit gat te dichten willen ze gebruik maken van het FASER-experiment, dat nu in gebruik is genomen in een zijtunnel van de LHC, zo'n 480 meter achter het ATLAS-experiment.

Het muon als testlaboratorium voor nieuwe natuurkunde

Onlangs heeft de muon g-2-samenwerking bij Fermilab een nieuwe meetwaarde voor het afwijkende magnetische moment aangekondigd die twee keer zo nauwkeurig is als de vorige. De PRISMA+-werkgroep onder leiding van prof. dr. Martin Fertl is de enige in Duitsland die zich bezighoudt met experimentele bijdragen. De tegenhanger is het muon g-2 theorie-initiatief, een wereldwijde vereniging van ruim 130 natuurkundigen die zich bezighoudt met theoretische voorspellingen binnen het raamwerk van het standaardmodel.

Ook hier leveren de Mainz-werkgroepen van prof. dr. Achim Denig, prof. dr. Harvey Meyer, prof. dr. Marc Vanderhaeghen en prof. dr. Hartmut Wittig talrijke belangrijke bijdragen – van het meten van experimentele inputvariabelen tot de uiterst nauwkeurige berekening van de bijdragen van de sterke interactie met behulp van de methoden van roosterkwantumchromodynamica op de Mainz-mainframecomputer MOGON-II.

Op basis van de laatste berekeningen is het nog steeds niet duidelijk of er een echte discrepantie bestaat tussen theorie en experiment en, zo ja, welke theoretische benaderingen gebruikt kunnen worden om dit te verklaren. Het toont echter opnieuw de grote expertise aan van het PRISMA+-cluster in Mainz in de zoektocht naar nieuwe natuurkunde – en hier in het bijzonder in de wisselwerking tussen theorie en experiment en het gebruik van complementaire methoden om de grote vragen van de moderne natuurkunde te beantwoorden. P>

"Ons vandaag gepubliceerde werk levert hier een belangrijke bijdrage aan, hoewel het laat zien dat de ruimte voor modellen van nieuwe natuurkunde die we experimenteel kunnen testen steeds kleiner wordt", zegt Schott, die het resultaat categoriseert. "Wat ALP's betreft:dit zijn nog steeds veelbelovende kandidaten voor donkere materie, maar we kunnen ze zeer waarschijnlijk uitsluiten als oorzaak van een discrepantie in het magnetische moment van het muon."

Meer informatie: Zoeken naar axionachtige deeltjes met een korte en lange levensduur in H → aa → 4γ vervalt met het ATLAS-experiment bij de LHC, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.03306

Anne Mareike Galda et al, ALP-LEFT Interferentie en de Muon (g − 2), Journal of High Energy Physics (2023). DOI:10.1007/JHEP11(2023)015. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.01338

Journaalinformatie: arXiv

Aangeboden door Johannes Gutenberg Universiteit Mainz