GAMBIT: a Global and Modular Beyond the Standard Model Inference Tool

Det mest spennende med fysikk er letingen etter nye fenomen. Et eksempel er den mystiske mørke materien som ser ut til å være overalt i universet, men som vi ikke aner hva består av. Og dette er bare en av mange fenomen som ikke lar seg forklare ved hjelp av vår nåværende beste forståelse av lovmessigheten og ingrediensene i mikrokosmos, den såkalte Standardmodellen. Dette prosjektet har hatt som mål å produsere mykvare kan gi forskere en bedre verktøy å utforske nye modeller av mikrokosmos med; modeller som er tenkt å avløse Standardmodellen. Hovedutfordringen for prosjektet har vært å hanskes med de enorme mengdene med resultater som nå er tilgjengelig, både fra mange pågående eksperimentene som Large Hadron Collider (LHC), og som snart vil bli tilgjengelig fra fremtidige eksperiment som Cherenkov Telescope Array (CTA). Disse komplekse datasettene krever sofistikerte dataløsninger og statistiske metoder for å kunne brukes sammen og nå sitt fulleste potensial i letingen etter ny fysikk. Vårt håp er at verktøyene utviklet i prosjektet vil bli svært viktige i disse søkene, for eksempel i forsøkene på å fastslå egenskapene til mørk materie. Prosjektet er en del av GAMBIT-kollaborasjonen, et internasjonalt samarbeid mellom omlag 30 fysikere fra hele verden, hver en spesialist innen et bestemt felt eller eksperiment. GAMBIT står for "a Global And Modular Bsm Inference Tool", denne mykvaren er altså planlagt å skulle være både generisk og modulær, hvilket betyr at den med tiden også skal kan brukes på andre problem utenfor letingen etter ny fysikk. Den kan potensielt finne anvendelse på ethvert problem med modeller med et stort antall ukjente parametre som skal bestemmes av store datasett. Den norske delen av kollaborasjonen har i prosjektperioden fokusert på bruken av resultat fra nettopp LHC, i nært samarbeid med noen av de andre nodene. En av hovedoppgavene i prosjektet har vært konstruksjonen av ColliderBit, en del av GAMBIT mykvaren som tar for seg analyse av LHC resultater. I løpet av det første prosjektåret var hovedfokus på å rekruttere to gode postdoktorer til prosjektet, samt å gjøre grunnlagsarbeid på GAMBIT-mykvaren i samarbeid med resten av kollaborasjonen. For å koordinere samarbeidet arrangerte vi en ukes lang workshop på Geilo i januar 2015. Ved slutten av prosjektåret var mykvaren nær funksjonsdyktig i en første beta-versjon, og de første testene på fysikkmodeller nært forestående. I det andre prosjektåret konsentrerte arbeidet seg om å utvikle mykvaren frem mot en endelig ferdigstillelse av en første offentlig versjon. To doktogradsstudenter som var involvert i arbeidet ved Universitetet i Oslo disputerte og fremla foreløpige resultater i sine avhandlinger. Sammen med utviklingen ble det gjort fortløpende tester av GAMBIT på to fysikkmodeller: den såkalte skalare singlettmodellen, og på en modell med supersymmetri. På slutten av det andre prosjektåret var mykvaren, sammen med dokumentasjon og første fysikkresultater nær ferdig, og resultatene klare for å sendes inn til en ledende fysikkjournal for publisering etter en planlagt intern fagfellevurdering i kollaborasjonen. Hovedmålet i prosjektet, publisering av mykvareverktøyet GAMBIT versjon 1.0.0, og de første fysikkartiklene som bruker verktøyet, kom (noe forsinket) i løpet av det tredje året av prosjektet (mai 2017). Mykvaren er beskrevet i seks manualer som tar for seg de ulike delene, og de første fysikkresultatene med bruk av GAMBIT presenteres i tre separate artikler, en som analyserer den såkalte skalare singlettmodellen, en om supersymmetri motivert fra ?Grand Unified Theory? modeller, og en artikkel om mer generisk supersymmetri. Alle resultatene ble publisert i European Physics Journal C, og syv av disse artiklene har bidrag fra Universitetet i Oslo og dette prosjektet. I den relativt korte tiden fra publisering til slutten av prosjektet er alle artiklene tungt sitert av fagfeller, den mest siterte med over 60 siteringer. Fokus i prosjektet skiftet deretter, som planlagt, litt fra rent utviklingsarbeid til utnyttelse av GAMBIT for å oppfylle noen av de milepælene som er definert for sluttet av prosjektet. Resten av det tredje prosjektåret samt det fjerde har arbeidet fokusert på studier av stadige mer generelle modeller med supersymmetri, og andre alternativer modeller for mørk materie slik som modeller med flere higgsbosoner og modeller med såkalte aksioner. Samtidig er stadig nye forbedrede versjoner av GAMBIT sluppet, og vi er nå oppe i versjon 1.3.0. Prosjektet ble avsluttet med en felles GAMBIT workshop i Oslo i september 2018 hvor flere av disse artiklene ble ferdigstilt. Av disse fysikkstudiene er ved prosjektets slutt to publisert som såkalte preprint og sendt inn til journaler, mens to er svært nært forestående. Utsiktene for en meget produktiv utnyttelse av resultatene i prosjektet over de neste årene er svært gode.

Hovedmålet med prosjektet har vært å skape et mykvareverktøy for globale parameterskann av høydimensjonale parameterrom som er basert på åpen kildekode og alment tilgjengelig. Dette verktøyet, GAMBIT (a Global And Modular Bsm Inference Tool), publiserte vi i sammarbeid med resten av GAMBIT kollaborasjonen i mai 2017, som det første av sitt slag i verden. Sammen med GAMBIT publiserte kollaborasjonen en serie med seks artikler som beskrev koden, samt tre artikler som tok den i bruk for å studere et sett med fysikkmodeller som blant annet forsøker å forklare fenomenet mørk materie. Alle artiklene har siden blitt tungt sitert av fagfeller. Det at det nå finnes et verktøy som GAMBIT har stor betydning for arbeidet med å lete etter ny fysikk ved LHC på CERN eller i andre eksperimenter. Vi er for eksempel blitt kontaktet av ATLAS kollaborasjonen ved LHC som vil bruke våre resultater for å forbedre sine søk etter supersymmetriske partikler.

Beyond the SM (BSM) physics is well motivated, e.g. from the existence of Dark Matter (DM), and is expected to show up in multiple experiments, such as accelerator searches (LHC), neutrino mass and mixing data, and direct and indirect DM search experiment s. Some of these already show tantalizing hints of DM or other BSM physics. To make robust conclusions about the level of support for a BSM scenario from such varied sources, a simultaneous statistical fit of all the data, fully taking into account rele vant uncertainties, assumptions and correlations is necessary. The same is true for determining the preferred regions of parameter space within a particular model. This is a highly non-trivial task, on the border of theory and experiment, astrophysics and particle physics, and requires an excellent understanding not only of the theories and experiments involved, but also an efficient use of specialized statistical techniques and computer codes. Whilst partial progress has been made, the magnitude of the t ask and degree of technical difficulty have left it largely unexplored for the majority of BSM theories and datasets. With the start-up of the LHC, vast amounts of new data are rapidly becoming available, quickly making even the analyses that have been do ne in the past year obsolete. The research in this proposal is part of a collaboration that plans to revolutionize this emerging field, by taking publicly available data from the LHC and astrophysics experiments, and vastly expanding the scope of models to which it is applied. The aim is to develop modular tools in a framework that makes it possible to explore any BSM model, with almost all of the relevant particle and astrophysical data recorded. The focus of the project in this application is the inter face to, and use of collider data, in this framework. After a period of development we will apply the tools to the best motivated BSM models in order to investigate the impact of present, and any future, discoveries