Αναζήτηση νέας Φυσικής με Αδρονικούς Πίδακες με το Πείραμα CMS στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων

Tο πεδίο της Σωματιδιακής Φυσικής βρίσκεται “αντιμέτωπο” τα τελευταία χρόνια με μια εξαιρετικά μεγάλη, αλλά και εξίσου αινιγματική και εν πολλοίς ενοχλητική επιτυχία: υπάρχει μια θεωρία, το Καθιερωμένο Πρότυπο (ΚΠ) των στοιχειωδών σωματιδίων και των αλληλεπιδράσεών τους, η οποία προβλέπει και περιγράφει με πολύ μεγάλη ακρίβεια την συντριπτική πλειοψηφία των πειραματικών παρατηρήσεων σε πειράματα με δέσμες σωματιδίων παραγόμενες στο εργαστήριο. Μια σημαντικότατη ολοκλήρωση της θεωρίας αυτής επετεύχθη το 2012 με την ανακάλυψη, στον μεγάλο επιταχυντή αδρονίων, LHC, στο Διεθνές Εργαστήριο CERN στην Γενεύη της Ελβετίας, του σωματιδίου «Higgs», που είναι υπεύθυνο για την μάζα όλων (ή σχεδόν όλων) των στοιχειωδών σωματιδίων. Ωστόσο, παρόλη την μεγάλη μέχρι τώρα επιτυχία του, το ΚΠ δεν είναι σε θέση να απαντήσει σε θεμελιώδεις ερωτήσεις και προβλήματα της Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων, όπως: Ποια είναι η φύση της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας που αποτελούν το 95% του σύμπαντος; Ποια είναι η πηγή της δραματικής ασυμμετρίας ύλης – αντιύλης στο σύμπαν;  Ενοποιούνται όλες οι δυνάμεις σε υψηλότερη κλίμακα και, αν ναι, πώς ενσωματώνεται η βαρύτητα; Υπάρχουν νέες, πρόσθετες, συμμετρίες στη φύση; Πως αποκτούν μάζα τα νετρίνα; Το εντυπωσιακό φαινόμενο του 95% του Σύμπαντος γύρω μας να μας είναι εντελώς άγνωστο απαιτεί τη χρήση κάθε διαθέσιμου εργαλείου, πειραματικού και θεωρητικού, για την  βαθύτερη και καλύτερη κατανόησή του.

Τα πειράματα στον LHC βρίσκονται στην καλύτερη δυνατή θέση να μελετήσουν και ενδεχομένως να απαντήσουν σε κάποια, ή και όλα, από αυτά τα θεμελιώδη ερωτήματα: ο LHC παρέχει συγκρούσεις πρωτονίων-πρωτονίων στα 13 TeV και σύντομα 13.6 TeV, την υψηλότερη ενέργεια μέχρι σήμερα, επιτρέποντας σε πειράματα να δοκιμάσουν το ΚΠ σε πρωτοφανείς κλίμακες. Λόγω της φύσης των συγκρουόμενων δεσμών και της ισχυρής σύζευξης της κβαντικής χρωμοδυναμικής (QCD), οι αδρονικοί πίδακες που προέρχονται από την αδρονοποίηση κουάρκ και γκλουονίων, διαδραματίζουν καίριο ρόλο τόσο στις αναζητήσεις νέας φυσικής (NΦ), όσο και στις μετρήσεις του ΚΠ που αποτελεί συχνά το κύριο υπόβαθρο γι’ αυτές. Έτσι, ένας από τους πιο βασικούς τρόπους ανίχνευσης νέων σωματιδίων στα πειράματα του LHC είνα η αναζήτηση νέων συντονισμών στο φάσμα της αναλλοίωτης μάζας δύο ή περισσότερων αδρονικών πιδάκων.  Γι´ αυτό έχουμε αναπτύξει αναλύσεις με σκοπό την αναζήτηση ΝΦ, σε γεγονότα με δύο ή περισσότερους αδρονικούς πίδακες στην τελική κατάσταση. Σε αυτές αναζητούμε ζευγάρια από αδρονικούς πίδακες, που προέρχονται από τη διάσπαση ενός νέου σωματιδίου, Χ, και εμφανίζονται ως ένας στενός συντονισμός στο φάσμα της αναλλοίωτης μάζα τους. Δεδομένου ότι η ενεργειακή κλίμακα της νέας φυσικής είναι πιθανότατα μεγάλη, είναι φυσικό αυτά τα νέα σωματίδια να έχουν μεγάλη μάζα.

Μετά την ολοκλήρωση, με καίρια και ηγετική συνεισφορά της ομάδας μας [1] επί σειρά ετών [2], σε ένα μεγάλο αριθμό αναζητήσεων νέων συντονισμών με δύο αδρονικούς καταιγισμούς στην τελική κατάσταση με το πείραμα CMS στον LHC, εισάγοντας καινοτόμες και εξαιρετικά αποτελεσματικές μεθόδους ανάλυσης [3], περάσαμε στο επόμενο βήμα. Αυτό είναι μία καινούργια ανάλυση [4] που αναζητά νέα σωματίδια ίδιας μάζας παραγόμενα σε ζεύγη (XX), με ή χωρίς την ανταλλαγή ενός επιπρόσθετου νέου διαδότη, Υ, δίνοντας δύο συντονισμούς και τέσσερις αδρονικούς πίδακες στην τελική κατάσταση. Η αναλλοίωτη μάζα των δύο πιδάκων θα αντιστοιχεί στη μάζα του σωματιδίου Χ, ενώ η μάζα των τεσσάρων πιδάκων στο σωματίδιο Υ. Ένα επιπρόσθετο κίνητρο για τη διεξαγωγή αυτής της αναζήτησης, Y→XX→4 πίδακες, ήταν ένα ξεκάθαρο υποψήφιο γεγονός όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, το οποίο καταγράψαμε, αναλύσαμε και δημοσιεύσαμε σε προηγούμενη ανάλυσή μας [3]. Αυτό το θεαματικό γεγονός έχει τέσσερις πίδακες υψηλής εγκάρσιας ορμής, που σχηματίζουν ανά δύο ζεύγη αναλλοίωτης μάζας 1.9 TeV το καθένα και μια συνολική μάζα 8.0 TeV. Ένα δεύτερο, πολύ παρόμοιο γεγονός έχει βρεθεί στην τωρινή αναζήτησή μας [4] που είναι σχεδιασμένη για αυτή τη συγκεκριμένη τοπολογία. Αυτά τα γεγονότα μπορεί να προέρχονται από διαδικασίες QCD αλλά είναι πολύ σπάνια.

Για να κατανοήσουμε καλύτερα πόσο ασυνήθιστα είναι αυτά τα γεγονότα, μπορούμε να δούμε το Σχήμα 2, το οποίο δείχνει την κατανομή των μαζών των τεσσάρων πιδάκων σε σχέση με αυτή των ανά δύο ζευγών. Τα δύο υποψήφια γεγονότα είναι ξεκάθαρα ορατά σε μεγάλες μάζες, όντας αρκετά διακριτά από όλα τα υπόλοιπα. Παρουσιάζεται επίσης μια προσομοίωση ενός πιθανού σήματος ΝΦ με μάζα των τεσσάρων πιδάκων στα 8.4 TeV και μάζα των ανά δύο συνδυασμών στα 2.1 TeV, που φαίνεται να περιγράφει πολύ καλά αυτά τα δύο υποψήφια γεγονότα.

Ένα μέτρο της πιθανότητας ενός γεγονότος να προέρχεται από το ΚΠ, που ονομάζεται σημαντικότητα και αναφέρεται σε μονάδες τυπικής απόκλισης, ss, εκτιμάται με δύο τρόπους. Ο πρώτος δεν εξετάζει πόσες διαφορετικές κατανομές μάζας αναλύονται για να καθοριστεί αν συμφωνούν με το ΚΠ, και ονομάζεται τοπική σημαντικότητα. Ο δεύτερος τρόπος που το λαμβάνει υπόψη, αυξάνοντας έτσι την πιθανότητα τα γεγονότα να προέρχονται από το ΚΠ, ονομάζεται γενική σημαντικότητα. Και οι δύο τρόποι είναι απαραίτητοι ειδικά όταν αναζητούμε κάτι νέο για πρώτη φορά. Αυτή η ανάλυση φυσικής μας έδωσε 3.9s τοπική σημαντικότητα και 1.6s γενική. Όσο μεγαλύτερη είναι η σημαντικότητα, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα ύπαρξης ΝΦ, ενώ γενικά απαιτείται 5s και περισσότερο για ανακάλυψη. Η Run III που μόλις αρχίζει στον LHC και θα διαρκέσει μέχρι το 2025, και το High Luminosity-LHC που θα ξεκινήσει προς το τέλος της δεκαετίας θα καθορίσουν εάν αυτά τα γεγονότα είναι στατιστικές διακυμάνσεις του ΚΠ ή τα πρώτα σημάδια μιας σημαντικής ανακάλυψης!

[1]Αναπλ. Καθ. Νίκη Σαουλίδου, Τμ. Φυσικής ΕΚΠΑ, Επιστημονική Υπεύθυνη προγραμμάτων ΕΛΙΔΕΚ και Νιάρχος

Δρ. Ειρήνη Τζιαφέρη (ΕΛΙΔΕΚ), Μεταδιδακτορική Ερευνήτρια, Τμ. Φυσικής ΕΚΠΑ, Analysis contact (Δεκ 2021-), κύριο μέλος των αναλύσεων για αναζήτηση νέων συντονισμών με το πείραμα CMS στον LHC (2014-).

Δρ. Μάγδα Διαμαντοπούλου (Υποτροφία Νιάρχος, Διδάκτορας Τμ. Φυσικής ΕΚΠΑ Δεκ. 2021), Μεταδιδακτορική Ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο Carleton του Καναδά, Analysis contact (Ιαν. 2021-Δεκ. 2021 , κύριο μέλος των αναλύσεων για αναζήτηση νέων συντονισμών με το πείραμα CMS στον LHC (2014-2021).

Δρ. Δημήτριος Καρασάββας (Υποτροφία Νιάρχος, Διδάκτορας Τμ. Φυσικής ΕΚΠΑ Μάρ. 2022), κύριο μέλος των αναλύσεων για αναζήτηση νέων συντονισμών με το πείραμα CMS στον LHC (2015-2022).

Υποψήφιος Διδάκτορας κ. Ηλίας Ζησόπουλος (ΕΛΙΔΕΚ), Τμ. Φυσικής ΕΚΠΑ, κύριο μέλος των αναλύσεων για αναζήτηση νέων συντονισμών με το πείραμα CMS στον LHC (2017-).

κ. Δημήτριος Ντούνης (έγινε δεκτός για Μεταπτυχιακές σπουδές στο Πανεπιστήμιο Stanford, USA) Απόφοιτος Τμ. Φυσικής ΕΚΠΑ, κύριο μέλος των αναλύσεων για αναζήτηση νέων συντονισμών με το πείραμα CMS στον LHC (2019-2022).

κ. Μαρία Κοτσαρίνη (έγινε δεκτή για Μεταπτυχιακές σπουδές στο Τμήμα Φυσικής, ΕΚΠΑ) Απόφοιτος Τμ. Φυσικής ΕΚΠΑ, κύριο μέλος των αναλύσεων για αναζήτηση νέων συντονισμών με το πείραμα CMS στον LHC (2020-). 

[2]Search for narrow and broad dijet resonances in proton-proton collisions at sqrt(s)=13 TeV and constraints on dark matter mediators and other new particles, CMS Collaboration, JHEP 1808 (2018) 130.

–Search for dijet resonances in proton-proton collisions at sqrt(s) = 13 TeV and constraints on dark matter and other models, CMS Collaboration, Phys. Lett. B 769 (2017) 520-542

–Search for narrow resonances decaying to dijets in proton-proton collisions at sqrt(s)=13 TeV, CMS Collaboration, Phys. Rev. Lett. 116 (2016) no.7, 071801

[3] Search for high mass dijet resonances with a new background prediction method in proton-proton collisions at sqrt(s) =13 TeV, CMS Collaboration, JHEP05 (2020) 033       

[4] Search for resonant and non-resonant production of pairs of identical dijet resonances in pp collisions at sqrt(s) = 13 TeV, CMS Collaboration, CMS-PAS-EXO-21-010 (to be submitted in JHEP)  CERN-CDS: http://cds.cern.ch/record/2803669 -Dijet excess intrigues at CMS, CERN courier: https://cerncourier.com/a/dijet-excess-intrigues-at-cms