Cerca nuove particelle scalari nelle collisioni di protoni

Questo articolo parla di una ricerca per un tipo specifico di particella chiamata Risonanza. Questa risonanza può decadere in una particella Scalare e un bosone di Higgs, che poi si decadrà ulteriormente in due Quark bottom e due fotoni. Gli esperimenti sono stati fatti usando collisioni protoni-protoni a un livello energetico molto alto di 13 TeV con il rivelatore ATLAS situato al Large Hadron Collider (LHC).

#L'Impostazione dell'Esperimento

La ricerca è stata condotta con una luminosità integrata di 140 fb, il che significa essenzialmente che è stata raccolta una grande quantità di dati durante gli esperimenti. L'attenzione era sul range di massa della nuova particella scalare e del bosone di Higgs, specificamente tra 170 e 1000 GeV per la scalare e 15 e 500 GeV per il bosone di Higgs.

Per isolare i possibili segnali dal rumore di fondo (eventi indesiderati), è stata usata una tecnica che coinvolge reti neurali parametrizzate. Questo approccio aiuta a identificare i segnali significativi in maniera più chiara in mezzo a tutti i dati raccolti.

#Informazioni di Base

Nonostante i progressi fatti con la scoperta del bosone di Higgs nel 2012, ci sono ancora incertezze riguardo le sue proprietà. Gli esperimenti attuali non escludono la possibilità che il bosone di Higgs possa mescolarsi con altri tipi di particelle scalari. Molte teorie suggeriscono che potrebbero esserci particelle aggiuntive che compongono un settore di Higgs ampliato.

L'obiettivo di questa ricerca è identificare due bosoni scalari aggiuntivi. Queste particelle potrebbero avere comportamenti specifici che si manifestano quando si considera un'estensione del Modello Standard della fisica delle particelle.

#Il Rivelatore ATLAS

Il rivelatore ATLAS è uno strumento grande e complesso progettato per studiare i risultati delle collisioni protoni-protoni. Cattura quasi tutti gli angoli attorno al punto di collisione con una varietà di componenti:

1. Rivelatore di Tracking Interno: Questa parte traccia il movimento delle particelle cariche.
2. Calorimetri: Questi misurano l'energia delle particelle, distinguendo tra componenti elettromagnetiche e adroniche.
3. Spettrometro di Muoni: Questo rileva i muoni, che sono parenti più pesanti degli elettroni.

Il rivelatore ATLAS combina più tipi di dispositivi di misurazione per assicurarsi che vengano raccolti dati precisi sulle particelle prodotte durante le collisioni.

#Raccolta Dati

I dati utilizzati in questa ricerca sono stati raccolti dal 2015 al 2018 durante collisioni protoni-protoni all'LHC. È stato usato un set specifico di trigger per catturare eventi che presentavano due fotoni. Il dataset raccolto è molto prezioso per analizzare la potenziale esistenza di nuove particelle.

#Criteri di Selezione degli Eventi

Gli eventi che si qualificavano per un'analisi ulteriore dovevano soddisfare diversi criteri:

1. Erano richiesti almeno due fotoni, con soglie energetiche specifiche.
2. La massa invariata di questi fotoni doveva rientrare in un certo intervallo.
3. L'analisi si è anche concentrata sulla presenza di jet che segnalano il decadimento dei quark bottom.
4. Si è posta attenzione per assicurarsi che gli eventi con troppi jet o altre particelle fossero esclusi.

#Regioni di Segnale

Sono state definite due principali regioni di segnale basate sul numero di jet:

1. Una con un singolo jet di quark bottom taggato.
2. Un'altra con due jet di quark bottom taggati.

Queste regioni aiutano a classificare e analizzare i dati raccolti in base ai comportamenti attesi delle nuove particelle.

#Uso delle Reti Neurali

Le reti neurali parametrizzate hanno giocato un ruolo cruciale nel distinguere tra eventi di segnale e di fondo. Queste reti sono state addestrate usando varie caratteristiche degli eventi per classificare meglio i dati.

Analizzando l'output di queste reti, i ricercatori potevano valutare la probabilità di determinati segnali corrispondenti ai decadimenti scalari ipotizzati.

#Stima del Fondo

La ricerca ha richiesto una buona comprensione dei processi di fondo per garantire che qualsiasi segnale rilevato non fosse semplicemente rumore di fondo.

Sono state esaminate principalmente due categorie di eventi di fondo:

1. Fondi non risonanti che potrebbero mimare segnali a causa di particelle mal identificate.
2. Fondi provenienti da processi noti che coinvolgono la produzione di Bosoni di Higgs.

È stato impiegato un approccio basato sui dati per stimare accuratamente il numero di eventi di fondo e le loro caratteristiche.

#Sintesi dei Risultati

La ricerca non ha prodotto prove forti della risonanza ipotizzata. Tuttavia, alcune regioni hanno mostrato alcune variazioni dalle aspettative di fondo.

Ad esempio, un particolare punto di massa ha mostrato una deviazione locale che potrebbe suggerire un segnale interessante. Tuttavia, nella maggior parte dei casi, i risultati si allineavano strettamente con ciò che ci si aspetterebbe basandosi su teorie esistenti e particelle note.

#Impostazione di Limiti Superiori

Basandosi sull'assenza di segnali significativi, sono stati stabiliti limiti superiori per la produzione delle particelle scalari. Questi limiti superiori forniscono un range entro cui la sezione d'urto di produzione potrebbe esistere senza entrare in conflitto con i dati raccolti.

I limiti superiori variavano tra diversi punti di massa, riflettendo quanto facilmente certi eventi possano essere rilevati in base ai loro comportamenti attesi.

#Conclusione

Questa ricerca presenta un'indagine approfondita sull'esistenza di nuove particelle scalari che decadono in un bosone di Higgs e altri prodotti. Anche se non sono stati trovati segnali definitivi, i limiti superiori stabiliti forniscono una comprensione più chiara di cosa dovrebbero esplorare gli esperimenti futuri.

I progressi nei metodi delle reti neurali e l'analisi attenta del fondo sono contributi significativi per il campo, migliorando la capacità di identificare potenziali nuove fisiche oltre ciò che è attualmente compreso.

Indagini continuate probabilmente affineranno ulteriormente questi limiti e potrebbero svelare nuove particelle o fenomeni, arricchendo la comprensione dei mattoni fondamentali dell'universo.

Gli sforzi collaborativi e le tecnologie complesse coinvolte in questi esperimenti evidenziano la forza della cooperazione scientifica internazionale nel superare i confini della conoscenza nella fisica delle particelle.

Gli studi futuri mireranno a sondare più a fondo questi misteri, potenzialmente rivelando aspetti nuovi del bosone di Higgs o scoprendo particelle completamente nuove che potrebbero rimodellare il panorama attuale della fisica delle particelle.