Wenn ich der Öffentlichkeit (in diesem Blog oder auf öffentlichen Konferenzen oder in Schulen) erkläre, wie der Large Hadron Collider funktioniert, muss ich viele Details beschönigen, die unnötig sind, um die wichtigen Konzepte zu verstehen, die andere Diskussionen über interessante Subnukleare ermöglichen Physik. Das ist eine gute Praxis, und es erspart mir auch, Details zu studieren, die ich auf dem Weg vergessen habe – es heißt, dass das, was übrig bleibt, wenn man alles vergisst, Kultur ist, und ich neige dazu, dem zuzustimmen. Ich habe eine gute Kultur in der Teilchenphysik und das ist alles, was ich brauche, um die Wissenschaft zu popularisieren 😉
Eines der Dinge, die ich normalerweise beschönige, ist die Tatsache, dass die Kollisionen, die beispielsweise ein Higgs-Boson oder ein anderes interessantes Teilchen erzeugen, zusammen mit einer Reihe anderer, weniger interessanter Phänomene stattfinden, weil sich die Protonen innerhalb der LHC-Strahllinie in Bündeln bewegen die Milliarden von ihnen enthalten. Wenn innerhalb des CMS-Detektors ein Bündel mit einem anderen Bündel kollidiert, das aus der entgegengesetzten Richtung kommt, könnte ein interessanter physikalischer Prozess das Ergebnis einer energetischen Frontalkollision zwischen zwei Protonen sein; aber im Allgemeinen finden viele andere Kollisionen fast gleichzeitig damit statt. Typischerweise 40 oder so – eine Zahl, die davon abhängt, wie dicht die Bündel mit Protonen gepackt sind (oder, wenn Sie ein technischeres Maß wünschen, von der momentanen Leuchtkraft, mit der der Collider läuft).
Warum ignoriere ich also den Rest der Geschichte und konzentriere mich auf die einzige interessante Kollision, die ich beschreiben möchte? Oder besser gesagt (da das „Warum“ etwas trivial zu erraten ist), wie kann ich das tun? Wenn ein Higgs-Boson produziert wird, kann es in vier Myonen zerfallen, also möchte ich vielleicht erklären, dass diese vier Myonen eine saubere Signatur liefern, die darauf hinweist, dass tatsächlich ein Higgs-Boson produziert wurde … Aber was ist mit den anderen neununddreißig Kollisionen: Don‘ produzieren sie nicht auch Myonen, Higgs-Bosonen etc.?
Nun, nein, meistens nicht. Der Trick ist, dass die Art von Prozessen, die ich bespreche, äußerst selten sind. Wenn 40 Protonenpaare im Zentrum von CMS aufeinandertreffen, ist das typische Ergebnis, dass einige Trümmer herumfliegen, aber nichts wirklich Interessantes passiert. Nur einmal alle eine Million oder Milliarden Kollisionen (eine von drei Milliarden, wenn wir über die Erzeugung eines Higgs-Bosons sprechen) passiert die Magie einer sehr energiereichen Kollision. Wenn Sie also zufällig 40 Kollisionen nehmen, sind sie alle uninteressant; und wenn einer von ihnen ein Higgs-Produktionsereignis ist, können Sie Ihr Gehalt darauf verwetten, dass die anderen paar Zehner nichts Besonderes sind.
„Aber Moment mal“, konnte ich jemanden einwenden hören – „der LHC sammelt Millionen von Kollisionen, also sollte es manchmal passieren, dass _zwei_ interessante Prozesse gleichzeitig produziert werden, oder?“
Ja, das kommt vor. Lassen wir das Higgs-Boson hier allein und konzentrieren uns stattdessen auf W-Bosonen. Das W-Boson ist interessant genug, um die Berechnung zu rechtfertigen. Am LHC wird bei einer Million Kollisionen einmal ein W-Boson produziert. Wenn Sie also eine Million W-Bosonen sammeln, wird im Durchschnitt bei einem von ihnen ein weiteres W-Boson während derselben Bündelkreuzung in seiner Nähe produziert. Das ist in der Tat nicht allzu interessant – da die beiden Kollisionen unabhängig voneinander stattfinden, gibt es nichts Besonderes an diesen seltenen Doppel-W-Ereignissen.
Tatsächlich könnte man sogar die inkohärente Produktion von zwei Ws in der gleichen Bündelkreuzung als störend empfinden, da diese „Doppel-W“-Ereignisse bei der Suche nach Prozessen verworfen werden müssen, die korrelierte W-Bosonenpaare ergeben, wie in der Tat ein Higgs Bosonzerfall zu W+W-Paaren. Dies ist in der Praxis nicht schwer zu bewerkstelligen, da die Bündellänge drei Zoll beträgt und somit genügend Platz vorhanden ist, um die beiden Kollisionen entlang der Strahlachse zu unterscheiden, indem die jeweiligen Zerfallsprodukte rekonstruiert werden.
Viel interessanter als die inkohärente Erzeugung zweier W-Bosonen ist die Erzeugung eines W-Bosonen-Paares durch den gleichen harten Prozess, wenn zB ein Quark-Antiquark-Paar nicht ein, sondern gleich zwei solcher schweren Teilchen auf einmal emittiert. Ein solcher Prozess hat eine Wahrscheinlichkeit von etwa 1 zu 2,5 Milliarden, was etwa zehnmal so häufig ist wie die inkohärente Erzeugung von zwei Ws in derselben Bündelkreuzung bei typischen Laufhelligkeiten.
Da die Produktion von W-Bosonen und Z-Bosonen sowie die Paarproduktion dieser Teilchen in derselben Kollision interessante Sonden der elektroschwachen Theorie sind, waren die LHC-Experimente tatsächlich damit beschäftigt, die Geschwindigkeit dieser Prozesse mit hoher Präzision zu bestimmen. Unten ist ein Diagramm, das zeigt, wie all die verschiedenen Prozesse gemessen wurden, an denen einzelne und Paare von Bosonen beteiligt sind. Die Grafik ist alt, aber ich habe keine Lust, die neueste größte Messung zu finden, da sie nur der Veranschaulichung dient …
Eine Erklärung dieses Diagramms ist angebracht. Auf der vertikalen Achse haben Sie den Produktionsquerschnitt der verschiedenen Prozesse, was im Grunde eine neu skalierte Wahrscheinlichkeit ist – wie gesagt, die W-Produktion (die Spalte ganz links) findet einmal in einer Million Kollisionen statt, was tatsächlich 10 ^ 5 Pikobarn ( eine Picobarn ist 10^-12 Scheunen und für LHC-Protonenkollisionen entspricht dies einer von 100 Milliarden Kollisionen). An den verschiedenen Spalten sehen Sie, wie die Wahrscheinlichkeit kleiner wird, je komplexer die Endzustände sein müssen – zwei Bosonen unterschiedlicher Art zB oder sogar ein W plus ein oder mehrere Jets (linke Unter-Bins in der W-Boson-Bin). Zu registrieren ist auch, dass alle Messwerte (rote Punkte mit Unsicherheitsbalken) mit den Vorhersagen übereinstimmen. Eine weitere Anmerkung ist, dass diese Grafik im Jahr 2011 erstellt wurde, als das Higgs-Boson noch nicht entdeckt worden war – und daher zeigt die letzte Spalte, die den Higgs-Zerfall zu einem Paar Z-Bosonen zeigt, nur eine obere Grenze des Wirkungsquerschnitts !
Double Parton Scattering: Wenn Protonen zeigen, dass sie zusammengesetzte Objekte sind
Aber es gibt noch eine andere, viel faszinierendere Möglichkeit, dass ein W-Paar aus derselben Proton-Proton-Kollision hervorgeht. Und genau hier setzen wir heute mit diesem Beitrag an. Das Proton ist zwar sehr klein, aber nicht punktförmig. Wir verstehen es als ein zusammengesetztes Objekt: eine Tüte aus Quarks und Gluonen. Lassen Sie mich sie hier gemeinsam „Partons“ nennen. Wenn ein Proton auf ein anderes trifft, besteht eine erhebliche Chance, dass nicht nur die harte Wechselwirkung eines Paars von Partonen, eines von jedem der Projektile, passiert, sondern zwei oder sogar mehr dieser Paare.
Auch hier ist die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Partonenpaare beide extrem energiereich sind und daher jeweils einen interessanten physikalischen Prozess wie die Produktion eines W-Bosons verursachen, sehr gering. Aber gibt es überhaupt eine Möglichkeit, diese „Doppelparton-Streuungen“ zu unterscheiden?
Tatsächlich wurden Doppel-Parton-Streuungen, die die Erzeugung von zwei Paaren hadronischer Jets beinhalten, wobei jedes Paar durch eine separate Parton-Parton-Streuung innerhalb derselben Proton-Proton-Kollision erzeugt wird, zum ersten Mal vor langer Zeit durch das CDF-Experiment am Fermilab beobachtet Tevatron. Jets sind ein viel häufigeres Ergebnis von Hadronenkollisionen als W-Bosonen, daher erforderte die Beobachtung nicht die große Datenmenge, die wir jetzt am LHC gesammelt haben.
Aber jetzt hat CMS zum ersten Mal die Produktion von Doppel-W-Bosonen in derselben Proton-Proton-Kollision aufgrund von zwei separaten Parton-Parton-Wechselwirkungen nachgewiesen. Die Analyse umfasst die Verwendung eines multivariaten Klassifikators, um das kleine Signal aufgrund von Doppelpartonstreuung von der regulären Produktion eines W-Bosonenpaars zu unterscheiden. Da ein W-Boson am LHC am deutlichsten zu sehen ist, indem man seinen Zerfall in ein Elektron-Neutrino oder ein Myon-Neutrino-Paar identifiziert, werden die W-Paar-Kandidaten ausgewählt, indem nach Ereignissen mit zwei Myonen oder zwei Elektronen oder einem Myon und gesucht wird ein Elektron, plus etwas fehlender Energie, weil die Neutrinos ungesehen wegfliegen. Wir haben also vier Kategorien von Daten, die in der folgenden Grafik dargestellt sind.
In der Grafik sehen Sie die Verteilung der Daten (schwarze Punkte) auf die vier Kategorien von Leptonpaaren. Da der Klassifikator die signalähnlichen Ereignisse nach rechts schiebt, füllt das Signal der Doppelparton-Streuung jeden der vier Behälter ganz rechts in den vier Verteilungen – und Sie können es nicht sehen, es sei denn, alle Hintergründe werden von der Verteilung abgezogen (unteres Feld). .
Der aufmerksame Leser wird ein Detail bemerkt haben – alle vier Kategorien beinhalten gleich geladene Leptonenpaare. Mit anderen Worten, CMS konzentrierte sich auf Paare von W-Bosonen mit gleicher elektrischer Ladung, da diese „Gleichladungspaare“ weniger häufig bei Kollisionen mit Einzelstreuung auftreten. Mit anderen Worten, die Suche nach gleichgeladenen Leptonpaaren erhöht den Signalanteil in den Daten und entfernt neben dem Entfernen von Z-Boson-Zerfällen (die ansonsten die Dielektron- und Dimyon-Teilmengen kontaminieren könnten).
Am Ende ermöglicht die Analyse CMS, die Wahrscheinlichkeit der Produktion von W-Paaren durch Doppelpartonstreuung zu messen, was nützlich ist, um Modelle der Protonenstruktur einzuschränken. Also, jetzt ist es an der Zeit, nach der schwerer zu bekommenden Doppelparton-Streuproduktion von Z-Bosonenpaaren zu suchen!
—
Tommaso Dorigo (siehe sein persönliche Seite hier) ist ein experimenteller Teilchenphysiker, der für die arbeitet INFN und der Universität Padua und arbeitet mit der zusammen CMS-Experiment am CERN LHC. Er koordiniert die MODE-Zusammenarbeit, eine Gruppe von Physikern und Informatikern aus acht Institutionen in Europa und den USA, die sich zum Ziel gesetzt haben, eine End-to-End-Optimierung des Detektordesigns mit differenzierbarer Programmierung zu ermöglichen. Dorigo ist Herausgeber der Zeitschriften Rezensionen in Physik Sonstiges Physik geöffnet. 2016 veröffentlichte Dorigo das Buch „Anomalie! Collider-Physik und die Suche nach neuen Phänomenen im Fermilab“, ein Einblick in die Soziologie großer Teilchenphysik-Experimente. Sie können Holen Sie sich ein Exemplar des Buches bei Amazonoder wenden Sie sich an ihn, um eine kostenlose PDF-Kopie zu erhalten, wenn Sie nur über begrenzte finanzielle Mittel verfügen.
