Osiągniecia BP2 2013-16: Poszukiwania ciemnej materii i "nowej" fizyki

Celem badawczym grupy BayesFITS w latach 2013-2016 było poszukiwanie sygnałów tzw. nowej fizyki przy wykorzystaniu szerokiego wachlarza danych doświadczalnych pochodzących z Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) oraz z eksperymentów poszukujących ciemnej materii. Jednym z nowatorskich elementów analizy było zastosowanie statystyki bayesowskiej, która umożliwia poprawne wyznaczenie prawdopodobieństwa danego modelu teoretycznego. W celu zautomatyzowania analizy opracowano zaawansowane narzędzie numeryczne (kod BayesFITS), jak również metodologię obliczania funkcji prawdopodobieństwa dla danych z LHC oraz z poszukiwań ciemnej materii.

Na dorobek naukowy grupy składa się 36 publikacji w wiodących czasopismach naukowych (JHEP, JCAP, PRD), kilka wystąpień plenarnych na międzynarodowych konferencjach, liczne referaty na sesjach równoległych oraz na zaproszonych seminariach. Do najważniejszych osiągnięć grupy należą:
Określenie wpływu odkrycia bozonu Higgsa (lipiec 2012) na dopuszczalną przestrzeń parametrów modeli supersymetrycznych motywowanych unifikacją oddziaływań fundamentalnych. Publikacja prezentujące uzyskane rezultaty [1] była jedną z pierwszych globalnych analiz tego typu modeli i do dziś uznawana jest za światowy standard, o czym świadczy stale rosnąca liczba cytowań. Do najważniejszych rezultatów analizy należy stwierdzenie, że cząstki supersymetryczne mogą być cięższe, niż się poprzednio spodziewano, co ma niebagatelne znaczenie dla właściwości ciemnej materii. W kolejnych publikacjach [2,3] pokazano, że dane eksperymentalne są najlepiej opisywane przez modele, w których ciemna materia jest cząstką supersymetryczną o masie 1 TeV.
Zwrócenie uwagi na fakt, jak ważna jest komplementarność danych pochodzących z różnych eksperymentów dla całkowitego przetestowania dopuszczalnej przestrzeni parametrów supersymetrycznych. W szczególności pokazano, że część przestrzeni parametrów pozostająca poza zasięgiem LHC zostanie w najbliższych latach całkowicie przetestowana przez eksperymenty poszukujące ciemnej materii [3,4].
Ścisła współpraca z fizykami doświadczalnymi w celu wyznaczenia funkcji prawdopodobieństwa poprawnie opisujących dane eksperymentalne. W przypadku LHC opracowane zostało narzędzie numeryczne umożliwiające interpretację wyników doświadczalnych w dowolnym modelu supersymetrycznym. W ramach współpracy z kolaboracją CTA wykonano analizę przewidywanego zasięgu eksperymentu w modelach supersymetrycznych. Uzyskane wyniki zostały później wykorzystane w oficjalnych materiałach kolaboracji [5].
Rekonstrukcja właściwości ciemnej materii (masy oraz siły oddziaływań z materią jądrową) na podstawie sygnałów eksperymentalnych, bez zakładania konkretnego modelu ciemnej materii [6].

Do osiągnięć grup należy też zaliczyć zorganizowanie pierwszego sympozjum z cyklu "Theory Meets Experiment" (TMEX 2013), a nade wszystko dużej międzynarodowej konferencji COSMO 2015.

Narzędzia numeryczne oraz metodologię badawczą rozwinięte w trakcie realizacji projektu można w prosty sposób rozbudować tak, aby umożliwiały uwzględnienie kolejnych danych eksperymentalnych, a także modeli nowej fizyki innych niż supersymetria.

[1] The CMSSM Favoring New Territories: The Impact of New LHC Limits and a 125 GeV Higgs, A. Fowlie, M. Kazana, K. Kowalska, S. Munir, L. Roszkowski, E. Maria Sessolo, S. Trojanowski, Y.-L. Sming Tsai, Phys. Rev. D86 (2012) 075010.
[2] Two ultimate tests of constrained supersymmetry, K. Kowalska, L. Roszkowski, E. Maria Sessolo, JHEP 1306 (2013) 078
[3] Low fine tuning in the MSSM with higgsino dark matter and unification constraints, K. Kowalska, L. Roszkowski, E. Maria Sessolo, S. Trojanowski, JHEP 1404 (2014) 166.
[4] What next for the CMSSM and the NUHM: Improved prospects for superpartner and dark matter detection, L. Roszkowski, E. Maria Sessolo, A. J. Williams, JHEP 1408 (2014) 067
[5] Prospects for dark matter searches in the Pmssm, L. Roszkowski, E. Maria Sessolo, A. J. Williams, JHEP 1502 (2015) 014
[6] Reconstructing WIMP properties through an interplay of signal measurements in direct detection, Fermi-LAT, and CTA searches for dark matter, L. Roszkowski, E. Maria Sessolo, S. Trojanowski, A. J. Williams, JCAP 1608 (2016) no.08, 033