Jagter usynlige partikler ved ATLAS-eksperimentet

Kosmologiske og astrofysiske observationer baseret på gravitationelle vekselvirkninger indikerer, at stoffet beskrevet af partikelfysikkens standardmodel kun udgør en lille brøkdel af hele det kendte univers. Disse observationer udleder eksistensen af ​​mørkt stof, hvilken, hvis de består af partikler, skulle være ud over standardmodellen.

Selvom eksistensen af ​​mørkt stof er veletableret, dens natur og egenskaber er blandt de største uløste gåder i fundamental fysik. Fremragende kandidater til mørkt stofpartikler er svagt interagerende massive partikler (WIMP'er). Disse "usynlige" partikler kan ikke detekteres direkte ved kollisionseksperimenter som ATLAS-eksperimentet.

Ved Large Hadron Collider (LHC), de fleste kollisioner af protoner producerer sprays af energiske partikler, der bundter sig sammen til såkaldte "jets". Bevarelse af momentum kræver, at hvis partikler rekonstrueres i en del af detektoren, der skal være rekylpartikler i den modsatte retning. Imidlertid, hvis der produceres WIMP'er, de vil ikke efterlade spor i detektoren, forårsager en momentumubalance kaldet "manglende tværgående momentum" (E _T ^{gå glip af} ). Imidlertid, et par WIMP'er kan produceres sammen med en kvark eller gluon, der udstråles fra en indkommende parton (en generisk bestanddel af protonen), producerer et jetfly, der gør det muligt for forskere at mærke disse begivenheder.

Jetflyene+E _T ^{gå glip af} søgningen ser på de endelige tilstande, hvor et meget energisk jetfly produceres i forbindelse med stor E _T ^{gå glip af} . Mange ud over standardmodelteorierne kan undersøges ved at lede efter et overskud af begivenheder med stort manglende tværgående momentum sammenlignet med standardmodellens forventning. Blandt disse teorier, supersymmetri og teorier om store ekstra rumlige dimensioner (LED) forudsiger yderligere partikler, der er usynlige for kolliderende eksperimenter. Disse teorier kunne give en elegant forklaring på adskillige anomalier, der stadig er uløste i standardmodellen.

Kombinationen af ​​datadrevne teknikker og højpræcisionsteoretiske beregninger har gjort det muligt for ATLAS at forudsige de vigtigste standardmodellers baggrundsprocesser med stor præcision. Formen af ​​E _T ^{gå glip af} spektrum bruges til at øge analysens opdagelsespotentiale og øge diskriminationskraften mellem signaler og baggrund.

Figuren viser det manglende tværgående momentumspektrum sammenlignet med målingen med standardmodellens forventning. Da der ikke observeres noget væsentligt overskud, niveauet af overensstemmelse mellem data og forudsigelsen er oversat til grænser for ukendte parametre for det mørke stof, supersymmetri og LED-modeller.

I WIMP-scenariet, den seneste analyse ved hjælp af data indsamlet i 2015 og 2016 i en specifik interaktionsmodel udelukker mørke stofmasser op til 440 GeV og interaktionsmediatorer op til 1,55 TeV. Under den overvejede model, disse repræsenterer konkurrencedygtige resultater sammenlignet med andre eksperimenter, der anvender forskellige detektionsmetoder.

I løbet af de næste to år, LHC sigter mod at øge de tilgængelige data med en faktor tre. Dette vil være en unik mulighed for ATLAS til at undersøge energigrænsen, og jetflyene+E _T ^{gå glip af} kanal rummer potentialet til dybtgående at revidere vores forståelse af universet.