Poszukiwanie dowodów na istnienie nowej fizyki
Model standardowy (MS) jest teorią, która obejmuje wiedzę na temat cząstek elementarnych i ich oddziaływań. W Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w Szwajcarii, przeprowadzane są obecnie testy wytrzymałościowe MS polegające na precyzyjnych pomiarach reakcji pomiędzy różnymi cząstkami. Pomiary te są porównywane z przewidywaniami MS w celu określenia odchyleń, które mogą wskazywać na istnienie nowej fizyki (poza MS). Nowa fizyka może być badana nawet wtedy, gdy nowe cząstki są zbyt ciężkie, aby mogły powstać bezpośrednio w wyniku zderzenia, ponieważ modyfikują one oddziaływania znanych już cząstek. Dzięki precyzyjnym pomiarom tych oddziaływań badacze mogą uchwycić pierwsze ślady nowej fizyki. W ramach wspieranego przez UE projektu HEFTinLOOPS wykorzystano ramy teoretyczne znane pod pojęciem efektywnej teorii pola (EFT) w celu obliczenia potencjalnego wpływu nieodkrytych cząstek ciężkich na różne procesy otrzymywania bozonu Higgsa i kwarku górnego badane w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Jako że kwark górny i bozon Higgsa są dwiema najcięższymi cząstkami elementarnymi o najmniej rozumianych oddziaływaniach, odgrywają one kluczową rolę w teoriach nowej fizyki. Projekt, realizowany przy wsparciu programu Maria Skłodowska-Curie, dostarczył teoretycznych prognoz dla programu Standard Model Effective Field Theory (SMEFT) prowadzonego w Wielkim Zderzaczu Hadronów. W ramach projektu opracowano narzędzia potrzebne eksperymentatorom i teoretykom do wykonania tego zadania. W ramach projektu HEFTinLOOPS wykonano również precyzyjne obliczenia dla różnych procesów rozpraszania cząstek, koncentrując się na pozyskaniu kwarku górnego i bozonu Higgsa, jak również na interpretacji pomiarów z Wielkiego Zderzacza Hadronów wykonanych w ramach programu SMEFT.
Dokładne obliczenia
Zadaniem projektu HEFTinLOOPS było określenie, jak zmieniłoby się prawdopodobieństwo otrzymania bozonu Higgsa lub kwarku górnego w Wielkim Zderzaczu Hadronów, gdyby istniały jeszcze nieodkryte cząstki ciężkie. W tym celu w ramach projektu należało najpierw opracować techniki i kody komputerowe niezbędne do precyzyjnego prognozowania, które umożliwiłyby zdobycie informacji o tych cząstkach. Aby wykonać te obliczenia, w ramach projektu HEFTinLOOPS opracowano komponenty generatora Monte Carlo. Jest to kod komputerowy, który przewiduje, jak często w zderzaczu będzie zachodzić proces rozpraszania. W ten sposób może on obliczyć wpływ nowych oddziaływań na tempo otrzymania bozonu Higgsa lub kwarku górnego. Badacze rozważali kilka sposobów na otrzymanie cząstki Higgsa, w tym bozonu Higgsa w połączeniu z kwarkiem górnym, przy użyciu dżetów w modelu chromodynamiki kwantowej (QCD) i bozonu wektorowego, jak również otrzymanie podwójnej cząstki Higgsa. Wszystkie te procesy są ważne, ponieważ dają wgląd w to, w jaki sposób cząstka Higgsa oddziałuje z innymi cząstkami MS, a także z samą sobą. „Projekt obejmował wiele obliczeń analitycznych, ale także kodowanie nowych wyników, tak, aby możliwe było ich przetworzenie przez narzędzia komputerowe. Był to ważny cel, ponieważ udostępnił on wyniki całej społeczności zajmującej się fizyką zderzeniową”, wyjaśnia Eleni Vryonidou, członkini programu Maria Skłodowska-Curie. Porównując teoretyczne przewidywania dotyczące produkcji kwarku górnego z danymi z Wielkiego Zderzacza Hadronów, w ramach projektu nie stwierdzono żadnych znaczących odchyleń od przewidywań MS, ale ustalając najbardziej rygorystyczne ograniczenia dla nowych oddziaływań z kwarkiem górnym kontynuowano poszukiwania nowej fizyki.
Ku nowej fizyce
W ramach programu HEFTinLOOPS opracowano pierwsze niezbędne, precyzyjne narzędzia obliczeniowe, uwzględniające niepewności pomiaru, do przeprowadzania różnych prognoz dotyczących wytwarzania bozonu Higgsa i kwarku górnego w Wielkim Zderzaczu Hadronów, w ramach EFT. Teoretyczne wyniki projektu i związane z nim narzędzia zostały już szeroko wykorzystane przez szerszą społeczność zajmującą się fizyką cząstek elementarnych do interpretacji ich pomiarów, pomagając im w określeniu skali i natury nowej fizyki. „Projekt HEFTinLOOPS pogłębia nasze zrozumienie najmniejszych składników materii i ich oddziaływań, pomagając odpowiedzieć na najbardziej fundamentalne pytania natury”, mówi Vryonidou. Po porównaniu przewidywań MS dotyczących produkcji kwarka górnego z pomiarami Wielkiego Zderzacza Hadronów następnym krokiem będzie zrobienie tego samego dla bozonu Higgsa.
Słowa kluczowe
HEFTinLOOPS, nowa fizyka, bozon Higgsa, kwark górny, model standardowy, Wielki Zderzacz Hadronów, efektywna teoria pola, cząstki, zderzenia
