Jetit hiukkasfysiikan eturintamalla

      No Comments on Jetit hiukkasfysiikan eturintamalla

CERNin LHC-törmäytin on maailman johtava koe suurenergiafysiikan rintamalla. Yksittäisten protonien osasten eli kvarkkien ja gluonien törmäykset ovat saavuttaneet jopa 8000 GeV:n massakeskipiste-energian, 60% kokonaisenergiasta. Tämä riittäisi tuottamaan yli 8000 uutta protonia, 46 raskainta tunnettua alkeishiukkasta eli top-kvarkkia tai 64 Higgsin bosonia, jos kaikki energia muuttuisi massaksi.

Törmäyksissä vapautuvat sekä näiden raskaiden hiukkasten jälleen hajotessa syntyvät kvarkit ja gluonit eivät voi esiintyä vapaina hiukkasina, vaan ne tuottavat ryöpyn hiukkasia, jota kutsutaan jetiksi. Suuri osa LHC:n fysiikasta nojaa näiden jettien ymmärtämiseen ja tarkkaan kalibrointiin, jossa HIPin tutkimusryhmällämme on johtava rooli.

Kuva 1. (a) Mitatulla Higgsin bosonin massalla tyhjiö on epävakaa, mikäli myös top-kvarkin ja vahvan vuorovaikutuksen kytkentävakioiden arvot on mitattu oikein. (b) Higgsin kentän itseiskytkentä nollautuu Planckin skaalalla eli alkuräjähdyksen energioissa, jos top-kvarkin massa on hieman nyt mitattua pienempi, mikä stabiloi tyhjiön.

Erityisen mielenkiintoisia jetit ovat jäljitettäessä uutta mysteeriä, jonka Higgsin bosonin löytyminen vuonna 2012 paljasti. Mitattu Higgsin bosonin massa nimittäin vaatii kvanttikorjauksia, jotka tekevät tyhjiöstä epävakaan. Näennäisesti elämme siis väliaikaisessa universumissa. Puuttuuko hiukkasfysiikan standardimallistamme hiukkasia ja kenttiä, jotka voisivat vakauttaa tyhjiön? Tai ehkä mittauksissamme on pieni virhe, ja tyhjiö onkin vakaa alkuräjähdyksen energiaskaalaan asti?

Jetit ovat keskeisiä näissä kysymyksissä. Uudet hiukkaset ovat todennäköisesti hyvin raskaita, koska muuten niitä olisi jo nähty LHC:llä tai aiemmissa kokeissa. Niiden täytyy voida hajota takaisin kvarkkeihin ja gluoneihin, koska muuten niitä ei voisi tuottaa protoni-protonitörmäyksissä. Ne voisivat olla myös selitys pimeälle aineelle. Niinpä suurienergisimmät LHC:n törmäykset, jotka tuottavat jettejä ovat hyvä paikka etsiä näitä hiukkasia.

Kuva 2. (a) LHC:n tuottamien jettiparien energian jakauma. Kovimmat törmäykset yltävät 8000 GeV (8 TeV) kohdalle saakka. (b) Toinen 8000 GeV (8 TeV) kohdalla olevista eventeistä sisältää kaksi leveää jettiä, jotka sisältä jakautuvat kahteen alijettiin. Kummankin leveän jetin massa on lähes sama, noin 1800 GeV (1.8 TeV). Tällaisen eventin syntymätodennäköisyys standardimallin ennustamana on varsin matala.

Kutkuttavasti toiseksi energisin CMS-kokeen havaitsemista törmäyksistä tuotti hyvin erikoisen lopputilan, jonka voisi selittää myös raskaalla hiukkasella X, joka hajoaa kahteen keveämpään hiukkaseen Y, jotka edelleen hajoavat pareiksi kvarkkeja ja/tai gluoneita. Yksi eventti on vain sattumaa, mutta tilanne käy mielenkiintoiseksi jos tällaisia eventtejä havaitaan pari lisää ensi vuonna alkavassa LHC:n kolmannessa ajossa.

Kuva 3. (a) LHC:n jettimittaukset testaavat vahvan vuorovaikutuksen kytkentävakion arvoa korkealla energialla. Teoria ennustaa vakion muuttumisen energian funktiona tarkasti. (b) Top-kvarkin massa on mitattu lukuisin eri metodein ja eri hajoamiskanavista. Tarkimmat mittaukset perustuvat top-kvarkin hadronisen hajoamisen rekonstruointiin, jossa syntyy b-kvarkki sekä W-bosoni, joka edelleen hajoaa kvarkkipariin, yleensä u+d tai c+s. Kukin näistä erimakuisista kvarkeista tuottaa hieman erilaisen jetin.

Tärkeimpiä tyhjiön vakauteen vaikuttavia tekijöitä Higgsin bosonin tarkkaan mitatun massan lisäksi ovat top-kvarkin massa sekä vahvan vuorovaikutuksen kytkentävakion suuruus. Molemmat näistä suureista ovat suhteellisen huonosti tunnettuja, ja LHC on ainoa paikka maailmassa, jossa top-kvarkkeja voidaan tuottaa kokeellisesti. Se on myös paras paikka tutkia vahvaa vuorovaikutusta erittäin korkeilla energioilla.

Kuva 4. (a) Jettien kalibroinnin tavoite on palauttaa ilmaisimella mitattu fotonien sekä neutraalien ja varattujen hadronien signaali (kalorimetrien energiat sekä hiukkasten radat) takaisin alkuperäisten hiukkasten energiaan (hiukkastaso). Jetit itsessään approksimoivat niitä tuottaneiden kvarkkien ja gluonien energiaa (partonitaso). (b) HIPin ryhmä mittaa kaikkia tärkeimpiä jettien kalibrointeihin tarvittavia kanavia, joissa jetti kalibroidaan suhteessa tarkasti mitattuun fotoniin tai Z bosonista syntyvään pariin elektroneja tai myoneita. Lisäksi hyödynnämme jettimittauksia sekä uutena kanavana W-bosonin hadronista hajoamista (W>qq) top-kvarkkiparin tuottaneissa eventteissä.

Helsingin ryhmämme jatko-opiskelijat mittaavat sekä top-kvarkin massaa että vahvaa vuorovaikutusta, joista kummassakin mittauksessa jettien energian kalibrointi on ylivoimaisesti tärkein epävarmuustekijä. Tämä sopiikin meille, koska ryhmämme on maailman johtava instituutti nimenomaan näissä tarkkuuskalibroinneissa. Käänteisesti top-kvarkkeja ja suurinergisiä jettejä sisältäviä eventtejä voidaan käyttää edelleen parantamaan kalibrointien tarkkuutta, joten pystymme hyödyntämään mittauksiamme vahvaan positiiviseen palauteketjuun.

Tarkimmat mittaukset LHC:n toisen ajon datasta ovat vielä tulossa, mutta tiedämme jo tärkeimmän haasteen, johon meidän tulee pystyä vastaamaan. Tämä koskee erimakuisista kvarkeista ja gluoneista syntyvien jettien kalibrointien eroja, jota ei ole aiemmin pystytty LHC:llä suoraan mittaamaan. Nämä tarkkuusmittaukset pystyvät ehkä tuomaan universumin kuilun partaalta takaisin vakaaseen maailmankaikkeuteen. Ei mikään pieni saavutus!

Kuvien lähteet:

1a) A. Andreassen, W. Frost, and M. D. Schwartz, “Scale Invariant Instantons and the Complete Lifetime of the Standard Model”, Phys. Rev. D 97 (2018) 056006, doi:10.1103/PhysRevD.97.056006, arXiv:1707.08124.
1b) D. Buttazzo, G. Degrassi, P. P. Giardino et al., “Investigating the near-criticality of the Higgs boson”, JHEP 12 (2013) 089, doi:10.1007/JHEP12(2013)089, arXiv:1307.3536.

2a) CMS-EXO-19-012, JHEP 05 (2020) 033, arXiv:1911.03947.
2b) CMS-EXO-19-012, JHEP 05 (2020) 033, arXiv:1911.03947.

3a) https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/CMSPublic/PhysicsResultsCombined (CMS Summary plots)
3b) Hannu Siikonen, HIP

4a) Henning Kirschenmann, HIP
4b) CMS SP-2021/031, CMS detector performance note.

Mikko Voutilainen
Apulaisprofessori, projektipäällikkö, HIP-projekti
(CMS Experiment)
Fysiikan osasto, Fysiikan tutkimuslaitos

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *