Raziskovanje fragmentacijskih lastnosti šarmantnih kvarkov na LHC

Preučevanje trkov protonov, ki jih ustvarja veliki hadronski trkalnik v CERN-u (LHC), je obetaven pristop k reševanju nekaterih najbolj zahtevnih problemov v fiziki delcev. Med njimi so odsotnost primernih kandidatov za temno snov, nezadostne razlage za opaženo asimetrijo med snovjo in antimaterijo v zgodnjem vesolju, velik razpon mas kvarkov in leptonov ter razlike v moči gravitacije v primerjavi z drugimi temeljnimi silami. Nedavna odkritja, kot je Higgsov bozon, ponujajo ključne namige, ki bi lahko pomagali rešiti ta vprašanja. Da bi čim bolj povečali potencial trkalnika za odkritja, so Veliki hadronski trkalnik in njegovi eksperimenti v fazi pomembnih nadgradenj, potrebnih za Velik hadronski trkalnik z visoko svetilnostjo (High-Luminosity Large Hadron Collider - HL-LHC). Podatki HL-LHC, ki naj bi začeli delovati leta 2029, bodo po pričakovanjih zagotovili bistvena spoznanja o teh perečih fizikalnih problemih. Vendar pa je s povečevanjem števila zbranih podatkov vse težje interpretirati fizikalne rezultate, ki iz tega izhajajo. Študije perspektiv za HL-LHC kažejo, da bo večina meritev lastnosti Higgsovega bozona omejena s teoretičnimi negotovostmi, ki izhajajo iz modeliranja procesov signala in ozadja z uporabo simulacijskih paketov. Zato je seda idealen čas za izvedbo ključnih meritev uveljavljenih procesov Standardnega modela. Takšne meritve so bistvene za zmanjšanje eksperimentalnih in teoretičnih negotovosti ter doseganje zahtevane natančnosti, ki je potrebna za odkrivanje pojavov nove fizike na HL-LHC. Namen tega projekta je prispevati k razumevanju lastnosti fragmentacije šarmantnih kvarkov na LHC z analizo podatkov, ki jih bo zbral eksperiment ATLAS v drugem in tretjem teku (Run 2 in Run 3). V okviru projekta bo izvedena celovita študija curkov, ki jih sproži šarm kvark, kar je ključnega pomena za zmanjšanje teoretičnih in eksperimentalnih negotovosti pri iskanju procesov nove fizike. Natančneje, ta projekt se bo osredotočil na izboljšanje analiz, ki vključujejo šarmantne kvarke, kot je na primer iskanje Higgsovega razpada H→cc. Namen predloga je izmeriti ključne parametre, kot so funkcija fragmentacije kvarkov šarma ter deleži njihove fragmentacije v mezone D+ in D*+. Poleg tega je namen še zagotoviti čist nabor podatkov o curkih, ki jih sprožijo kvarki šarma, da se izboljša natančnost algoritmov za označevanje okusov curkov v ATLAS, ki temeljijo na strojnem učenju. Fragmentacijske in hadronizacijske lastnosti kvarkov in gluonov ureja neperturbativna kvantna kromodinamika (QCD). Vendar je izračun teh procesov iz prvih načel računsko prezahteven, natančni fizikalni procesi, ki jih uravnavajo, pa niso povsem razumljeni. Zato je doseganje želene natančnosti pri napovedovanju teh procesov v veliki meri odvisno od eksperimentalnih podatkov. Kljub njihovi ključni vlogi pri iskanju nove fizike, lastnosti šarmantnih curkov na LHC še niso bile podrobno raziskane. Namen tega predloga je začeti obsežen znanstveni program, da bi bolje razumeli procese standardnega modela, ki določajo njihove lastnosti. Projekt bo predvidoma trajal tri leta in bo vključen v doktorsko disertacijo mladega raziskovalca.