Peningkatan Penandaan Partikel Percepatkan Pencarian Partikel Baharu

Di eksperimen di Large Hadron Collider (LHC), para fizikawan sedang mencari fenomena fizik baru untuk menjelaskan misteri yang masih belum terjawab, seperti sifat gelap dan ketidaksimetrian materi-antimateri di alam semesta. Kerjasama ATLAS berusaha untuk mengembangkan teknik-teknik inovatif dalam mengenal pasti — atau “menandakan” — partikel-partikel yang dihasilkan dalam eksperimen mereka. Dengan menandakan partikel secara efisien berdasarkan ciri-ciri unik mereka, para penyelidik boleh fokus kepada interaksi tertentu yang mungkin mendedahkan fenomena baru yang belum ditemui.

Sejak tahun 1990-an, fizikawan telah menggunakan teknik penandaan partikel untuk mengenal pasti kuark kecantikan (beauty quark), dengan kaedah pertama kali dibangunkan untuk eksperimen di Large Electron-Positron (LEP) Collider. Kemasukan terbaru dalam pembangunan algoritma, sering menggunakan teknik pembelajaran mendalam, telah membolehkan penyelidik menandakan “rasa” kuark lain seperti kuark atas (top) dan kuark cantik (charm). Oleh kerana kuark atas dan kuark cantik akan mereput sebelum sampai ke pengesan, algoritma ini bergantung kepada tanda eksperimen dari produk reput mereka. Kuark atas akan mereput menjadi boson W dan kuark kecantikan, manakala kuark cantik menghasilkan semburan partikel yang dipanggil “jets”. Boson W juga boleh mereput menjadi lepton atau kuark lebih ringan yang turut menghasilkan tanda jet.

Kerjasama ATLAS telah mengeluarkan tiga pencarian utama yang memanfaatkan kemajuan dalam teknik penandaan partikel: yang pertama meneroka keadaan akhir dengan kuark atas dan momentum melintang yang hilang (MET), yang kedua memberi tumpuan kepada kuark atas, kuark cantik, dan MET, dan yang ketiga melihat hanya kuark cantik dan MET. Dalam ketiga-tiga pencarian ini, MET memainkan peranan penting. Sebelum perlanggaran, proton-proton yang datang mempunyai jumlah momentum melintang yang sifar kerana momentum mereka diarahkan sepanjang garis pancaran. Selepas perlanggaran, undang-undang pemuliharaan memerlukan momentum melintang partikel keluaran juga untuk menjumlahkan kepada sifar. Dengan mengukur semua partikel keluaran, sebarang ketidakseimbangan dalam bidang ini menunjukkan kemungkinan kewujudan partikel tidak kelihatan, seperti neutrino atau potensi partikel gelap, yang terlepas dari pengesanan dan menyebabkan momentum yang “hilang”.

Kuark Atas, Kuark Cantik dan Sedikit MET

Dalam hasil pertama, para penyelidik mencari partikel gelap dan partikel supersimetrik dalam peristiwa perlanggaran yang melibatkan sepasang kuark atas, di mana setiap kuark mereput dengan cara yang berbeza (lihat paparan acara). Boson W dari kuark atas pertama mereput menjadi lepton dan neutrino (reput leptonik), sementara boson W dari kuark kedua mereput menjadi dua kuark yang muncul sebagai jet (reput hadronik). Pembangun rangkaian neural digunakan secara meluas dalam analisis ini, meningkatkan kepekaannya dengan ketara. Mereka digunakan untuk menandakan dan mengembalikan sifat kuark atas yang mereput hadronik, membantu dalam pemahaman sifat kinematik peristiwa tersebut. Mereka juga membantu membezakan isyarat potensi fizik baru daripada latar belakang Model Standard. Para penyelidik mengkategorikan peristiwa berdasarkan kinematik keadaan akhir, yang membolehkan mereka memperluaskan skop pencarian mereka.

Hasil kedua ATLAS memberi tumpuan kepada peristiwa perlanggaran di mana kedua-dua kuark atas dan kuark cantik telah dihasilkan. Ini adalah kali pertama di LHC ketika keadaan akhir campuran ini disiasat untuk kehadiran partikel baru – pencapaian ini dikendalikan oleh kemajuan terbaru dalam teknik penandaan kuark cantik oleh Kerjasama ATLAS. Pencarian ini didorong oleh senario supersimetrik tidak tradisional, di mana kuark boleh bertukar dari satu rasa ke rasa lain melalui interaksi lemah (pencampuran rasa tidak minimal). Mengenal pasti fizik baru dalam peristiwa seperti ini adalah mencabar, terutamanya apabila melibatkan objek ber momentum rendah, kerana mereka boleh menyerupai partikel Model Standard dengan rapat. Untuk menangani hal ini, para penyelidik menggunakan rangkaian neural pelbagai kelas yang memberikan kuasa diskriminasi yang luar biasa dalam kes ini.

Ketiga, pencarian ATLAS berfokus kepada peristiwa perlanggaran di mana hanya kuark cantik yang dihasilkan. Ini adalah kajian pertama untuk peristiwa dengan dua jet yang ditandakan kuark cantik, kerana para penyelidik menggunakan algoritma penandaan kuark cantik yang ditingkatkan dan dataset besar yang dikumpulkan semasa Run 2 LHC. Selain itu, mereka menggunakan teknik analisis lanjutan dipanggil “Recursive Jigsaw Reconstruction”, yang secara berperingkat mengumpulkan pola reput untuk membina semula kinematik partikel, meningkatkan sensitiviti hasil dalam kes di mana partikel yang dihasilkan mempunyai momentum yang agak rendah.

Menyetakkan had baru

Kerjasama ATLAS telah menetapkan had baru untuk model potensi gelap, supersimetri, dan leptoquark, menolak julat jisim yang lebih tinggi untuk partikel hipotetikal tertentu yang sebelumnya tidak mungkin. Dalam dua pencarian kuark atas, jisim kuark atas supersimetrik telah dibataskan di atas 1.2 TeV, manakala jisim partikel mediator gelap dihadkan di atas 350 GeV untuk senario penanda tertentu. Dalam pencarian kuark atas dan kuark cantik campuran dengan pencampuran rasa maksima, kuark atas supersimetrik dikecualikan hingga 800 GeV dan neutralino hingga 400 GeV. Hasil juga disediakan untuk pelbagai tahap pencampuran dengan menganalisis pelbagai kemungkinan kebarangkalian reput atau “Branching Ratios” (BR), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1. Akhirnya, dalam pencarian pasangan kuark cantik, ATLAS telah meningkatkan jangkauan eksperimen sebanyak ~100 GeV untuk supersimetri dengan spektrum jisim terkompres, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2, dan untuk pertama kalinya di LHC, leptoquark skalar dengan jisim di bawah 900 GeV telah dikecualikan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.

Pencarian utama ini menunjukkan kuasa teknik penandaan partikel yang maju dan kaedah pembelajaran mesin dalam usaha mencari fenomena fizik baru. Dengan memanfaatkan algoritma penandaan kuark cantik dan atas yang diperbaiki, serta metode inovatif seperti Recursive Jigsaw Reconstruction, para penyelidik ATLAS sedang mengejar batasan jangkauan eksperimen mereka.

Ketahui lebih lanjut