3 maart 2024

Wat kunnen we verwachten van Run 2 van de Large Hadron Collider?

De Large Hadron Collider. Credit: Maximilien Brice/ CERN.

Ergens begin juni starten de eerste echte protonenbotsingen in de Large Hadron Collider, de 27 km grote deeltjesversneller van CERN bij Genéve, ’s werelds grootste deeltjesversneller. Na de twee jaar durende Long Stop 1 (LS1), waarbij de ‘oerknal-machine’ werd verbeterd en opgekrikt van een botsingsenergie van de protonen van 8 naar 13 TeV, zijn de eerste testbotsingen bij 13 TeV al gaande en maken we ons op voor de langverwachte Run 2. Gisteren liet John Ellis, de theoretisch natuurkundige van CERN, ons zien welk tijdspad er is voor de LHC:

Een tijdspad dat hier en daar verschilt van eerder gepubliceerde tijdspaden, zoals deze, dus Ellis bracht hier duidelijk iets nieuws. Grote vraag die ons allemaal bezig houdt is: wat kunnen we van Run 2 van de LHC verwachten, de botsingen tussen protonen tussen LS1 en EYETS (‘Extended Year End Technical Stop’) in. Er wordt gesproken over twee wetenschappelijke doelen, namelijk meer te weten komen over het tijdens Run 1 (23 november 2009 t/m 14 februari 2013) ontdekte Higgs boson – op Higgsdependanceday 4 juli 2012 bekend gemaakt – en kijken of aanwijzingen kunnen worden gevonden voor ‘nieuwe natuurkunde’, natuurkunde voorbij het Standaard model, BSM-physics (‘beyond Standard Model’). Wat zijn precies de verwachtingen hiervan? De natuurkundige Adam Falkowski a.k.a. Jester op Résonaances, heeft eergisteren een lijstje met verwachtingen gepubliceerd, welke hij berekend heeft. In dat lijstje worden enkele zaken genoemd, die ontdekt kunnen worden met de LHC tijdens Run 2:

  • Higgs boson: Ratio˜2.3; Luminosity˜10 fb-1. Higgs physics will not be terribly exciting this year, with only a modest improvement of the couplings measurements expected.
  • tth: Ratio˜4; Luminosity˜6 fb-1. Nevertheless, for certain processes involving the Higgs boson the improvement may be a bit  faster. In particular, the theoretically very important process of Higgs production in association with top quarks (tth) was on the verge of being detected in Run-1. If we’re lucky, this year’s data may tip the scale and provide an evidence for a non-zero top Yukawa couplings.
  • 300 GeV Higgs partner:  Ratio˜2.7 Luminosity˜9 fb-1. Not much hope for new scalars in the Higgs family this year.
  • 800 GeV stops: Ratio˜10; Luminosity˜2 fb-1. 800 GeV is close to the current lower limit on the mass of a scalar top partner decaying to a top quark and a massless neutralino. In this case, one should remember that backgrounds also increase at 13 TeV, so the progress will be a bit slower than what the above number suggests. Nevertheless,  this year we will certainly explore new parameter space and make the naturalness problem even more severe. Similar conclusions hold for a fermionic top partner.
  • 3 TeV Z’ boson: Ratio˜18; Luminosity˜1.2 fb-1. Getting interesting! Limits on Z’ bosons decaying to leptons will be improved very soon; moreover, in this case background is not an issue.
  • 1.4 TeV gluino: Ratio˜30; Luminosity˜0.7 fb-1. If all goes well, better limits on gluinos can be delivered by the end of the summer!

Jester op Résonaances.

Hierin is de ratio de verhouding tussen de ‘cross sections’ van verschillende deeltjes bij 13 en 8 TeV, in het Nederlands de ‘werkzame doorsnede‘ genoemd, de waarschijnlijkheid dat een bepaalde wisselwerking tussen deeltjes plaatsvindt, de luminosity is de hoeveelheid botsingen tussen deeltjes, weergegeven in inverse femtobarn, fb-1. Tijdens Run 1 werd in totaal 25 fb-1 aan data verzameld, de verwachting is dat tot de komende winter 10 fb-1 wordt verzameld. Jester’s inschatting is dat met name voor de zware, supersymmetrische deeltjes die behoren tot het domein van de BSM, dit jaar al aanwijzingen kunnen worden gevonden, met name de ‘stops’ (de superpartners van de top quarks), Z’ bosonen en de gluino’s (de superpartners van de gluonen). Ik liet Jester’s lijstje gistermiddag aan John Ellis van CERN zien en na een vlugge blik hierop constateerde hij dat het een redelijke inschatting is van hetgeen te verwachten valt met de LHC dit jaar.

Credit: ATLAS Collaboration.

Eén van de grote detectoren van de LHC is de ATLAS, de kathedraal-grote ‘A Toroidal LHC ApparatuS’. De natuurkundigen daarvan hebben een poosje terug ook berekend wat wanneer kan opduiken in de data tijdens Run 2, waarbij ze gekeken hebben wat de kans is na 1, 2, 5 en 10 fb-1. Hierboven één van de grafieken, die berekend is, de voorspelling voor een ontdekking van het gluino, bij een onzekerheid van de achtergrond ΔB/B van 20%. Op de x-as staat de massa van het te ontdekken gluino, op de y-as de parameter p0, de waarschijnlijkheid dat het signaal vals is (1 staat voor zeker een vals signaal, hoe lager des te meer kans dat het signaal echt is, onder de streep met 5sigma is er sprake van bewijs hiervoor). In de bron The Reference Frame zijn meer grafieken te zien uit de studie van ATLAS en daaruit blijkt dat de verwachtingen wisselen, net zoals dat te zien is in Jester’s lijstje. Van het gluino zie je dat als deze een massa van 1350 GeV zou hebben de waarschijnlijkheid dat ‘ie opduikt bij 5 fb-1 al erg hoog is (4σ) en bij 10 fb-1 al helemaal (>5σ). Afijn, we wachten het allemaal geduldig af. Bron: The Reference Frame + Resonaances.

Share

Speak Your Mind

*