Istraživačka grupa profesora Matijasa Šota iz PRISMA+ klastera izvrsnosti na Univerzitetu Johanes Gutenberg u Majncu (JGU) objavila je rezultate opsežne serije merenja na ATLAS detektoru Velikog hadronskog sudarača (LHC) na arXiv serveru za preprint. Podaci su snimljeni tokom drugog vremena rada LHC-a između 2015. i 2018. godine.
Cilj eksperimentalno izazovnog programa merenja je da se potraže čestice slične aksionima koje bi mogle da nastanu u određenim raspadima Higsove čestice – i kako nove čestice mogu da objasne odstupanje eksperimentalno određenog anomalnog magnetnog momenta miona od njegovog teorijskog predviđanja.
Rad predstavlja eksperimentalni test aksionog modela koji je razvio prof. dr Matijas Nojbert, teorijski fizičar i portparol PRISMA+, i stoga je idealan primer vredne interakcije između teorije i eksperimenta na lokaciji u Majncu.
Aksioni su hipotetičke elementarne čestice za koje je prvobitno pretpostavljeno da reše teorijski nedostatak jake interakcije, takozvani problem jake CP. Dugi niz godina, aksioni ili čestice slične aksionima (ALP) takođe se smatraju obećavajućim kandidatima za tamnu materiju.
„Uz ovu pozadinu, fizičari su razvili brojne eksperimente u potrazi za veoma laganim ALP-ima“, objašnjava Šot. „Prvi put smo predložili i implementirali detaljan istraživački program na ATLAS eksperimentu LHC-a, sa kojim posebno tražimo relativno teške ALP-ove — oni bi zauzvrat mogli da objasne zagonetku anomalnog magnetnog momenta miona, kao što je Matijas Nojbert je pokazao u modelu razvijenom pre nekoliko godina.“
Zajedno sa Martinom Bauerom i Andreom Tamom, Nojbert je 2017. pretpostavio da bi ATLAS mogao da se koristi za pretragu veoma velikog opsega pogodnih aksionskih masa sa veoma visokom osetljivošću. Za Šota, ovo je bila početna tačka za uspešnu prijavu za ERC grant. „Sada sam sa svojom grupom testirao veliki deo parametarskog prostora Nojbertovog modela u okviru ovog ERC granta i veoma smo zadovoljni što sada možemo da objavimo prve rezultate.“
Nojbert je, sa svoje strane, od tada razjasnio očekivani efekat ALP-a na impuls miona u nedavnom članku objavljenom u Journal of High Energi Phisics sa Anne Galda.
Serija merenja je zasnovana na ideji da potencijalni ALP moraju da se povežu i sa mionom i sa fotonima kako bi se objasnila anomalija u magnetnom momentu miona. Konkretno, istraživači su istraživali teorijski postulirani lanac raspada u kojem se Higsova čestica prvo raspada na dva ALP-a, a ove zauzvrat na dva fotona (H a aa a 4ƴ). Cilj je bio da se otkrije spajanje ALP-a sa fotonima u ovom lancu.
„Nismo pronašli nikakve upadljive signale koji bi mogli ukazivati na odgovarajuće ALP“, objašnjava Šot. „U istraženom području, stoga možemo isključiti aksion-foton spregu sa najvećom verovatnoćom.“ Međutim, kako je istraživačka grupa po prvi put bila u mogućnosti da pretraži veoma veliki opseg parametara i bila je šest redova veličine osetljivija od prethodnih merenja, posebno u pogledu snage spajanja, uspeli su da postave najstrože granice isključenja do sada. za masu i snagu spajanja ALP-a.
Nojbert kaže: „Posebna stvar u vezi sa ovim merenjem je da se ALP potencijalno mogu detektovati preko Higsove fizike. Mi smo u visokoenergetskom opsegu fizike čestica i tako možemo da pronađemo neslaganje u anomalnom momentu magnetnog miona putem konverzije visokog -energetske čestice. Ovo je komplementaran pristup direktnom merenju svojstava miona u niskoenergetskom opsegu kao deo eksperimenta miona g-2, što je upravo ono što ga čini tako uzbudljivim.“
Proces raspada koji je istraživala Šotova grupa je eksperimentalno veoma izazovan, prvenstveno zato što fotoni koji se detektuju iz ALP raspada ne nastaju u tački sudara detektora. „U normalnim sudarima čestica, čestice se uvek susreću tačno u sredini detektora. I sve nove čestice koje se stvaraju u ovom sudaru, obično pretpostavljamo da njihovo putovanje počinje tačno na tački sudara. Normalni algoritmi i kalibracije koje imamo su zasnovano upravo na ovoj hipotezi“, objašnjava Šot.
„Međutim, ako se stvore nove čestice koje ‘žive’ dovoljno dugo, onda te čestice prvo lete kratku udaljenost pre nego što se raspadnu. To znači da naša prvobitna pretpostavka više ne važi i moramo da razvijemo potpuno nove pristupe kako bismo takođe videli čestice. u detektoru koji ne potiču iz tačke sudara“.
Konkretno, u Nojbertovom modelu, Higsova čestica se prvo raspada na dva ALP-a neposredno u tački sudara čestice. Međutim, ALP lete neko vreme pre nego što se svaki raspadnu na dva fotona, tako da se ovi fotoni proizvode dalje od tačke sudara. „Ove događaje nazivamo sa pomerenim vrhom — izmeštenom tačkom sudara, da tako kažemo. Sada smo uspeli da napravimo takvo merenje sa fotonima po prvi put.“
Pored toga, postoji još jedan izazov: ako su ALP relativno lagani, fotoni na koje se raspadaju su veoma blizu. Detektor percipira dva fotona kao jedan foton – osim ako ne postoji novi algoritam koji je obučen da uradi upravo to: to jest, koji može prepoznati fotone koji su zapravo rekonstruisani kao jedan foton kao dva fotona. „Uspeli smo da razvijemo takav algoritam koristeći veštačku inteligenciju u obliku neuronskih mreža i tako uspešno rešimo signale visoko kolinearnih fotona.
Ali ima još toga. Čak i sa posebno razvijenim algoritmima, pomoću kojih istraživači mogu da pokriju veoma veliko područje pretraživanja, ne mogu da „uhvate“ sve ALP-ove na koje žele da ciljaju. Da bi zatvorili i ovaj jaz, žele da koriste eksperiment FASER, koji je sada počeo sa radom u bočnom tunelu LHC-a oko 480 metara iza eksperimenta ATLAS.
Nedavno je saradnja miona g-2 u Fermilabu objavila novu mernu vrednost za anomalni magnetni moment koji je dvostruko tačniji od prethodnog. Radna grupa PRISMA+ koju vodi prof. dr Martin Fertl jedina je u Nemačkoj koja se bavi eksperimentalnim doprinosima. Pandan je inicijativa za teoriju miona g-2, svetsko udruženje više od 130 fizičara koje se bavi teorijskim predviđanjima u okviru standardnog modela.
I ovde, radne grupe iz Majnca u sastavu prof. dr Ahima Deniga, prof. dr Harvija Majera, prof. dr Marka Vanderhagena i prof. dr Hartmuta Vitiga daju brojne važne doprinose—od merenja eksperimentalnih ulaznih varijabli do visokoprecizno izračunavanje doprinosa jake interakcije primenom metoda rešetkaste kvantne hromodinamike na glavnom računaru Mainza MOGON-II.
Na osnovu najnovijih proračuna, još uvek nije jasno da li postoji istinska neslaganja između teorije i eksperimenta i, ako postoji, koji teorijski pristupi bi se mogli koristiti da se to objasni. Međutim, još jednom demonstrira veliku stručnost PRISMA+ klastera u Majncu u potrazi za novom fizikom—a ovde posebno u interakciji između teorije i eksperimenta i upotrebe komplementarnih metoda za odgovor na velika pitanja moderne fizike.
„Naš rad objavljen danas je važan doprinos ovde, iako pokazuje da je prostor za modele nove fizike koje možemo eksperimentalno testirati sve manji i manji“, kaže Šot, kategorišući rezultat. „Što se tiče ALP-a, ovo su još uvek obećavajući kandidati za tamnu materiju, ali ih vrlo verovatno možemo isključiti kao uzrok neslaganja u magnetnom momentu miona.“
