Søger efter usynlige partikler med ATLAS -eksperimentet

Da Large Hadron Collider (LHC) smadrer protoner ved en masse-masseenergi på 13 TeV, det skaber et rigt sortiment af partikler, der identificeres ved signaturen af ​​deres interaktioner med ATLAS -detektoren. Men hvad hvis kollideren producerer partikler, der bevæger sig gennem ATLAS uden at interagere? Disse "usynlige partikler" kan give svarene på nogle af de største mysterier i fysik.

Et eksempel er mørkt stof, som ser ud til at udgøre 85 procent af massen i universet, men er endnu ikke endeligt identificeret. Forskere udleder dens eksistens gennem astrofysiske observationer, herunder galaksedannelse og gravitationslinse. Imidlertid, de ved mere om, hvad det ikke er, end hvad det er. Der er ingen enkelt teori om mørkt stof; forskellige forudsigelser har forskellige konsekvenser for dets egenskaber og hvordan det interagerer.

De usynlige partikler, der produceres ved LHC -kollisioner, transporterer energi væk, hvilket resulterer i en tilsyneladende ubalance i energi/momenta for de observerede synlige partikler. Teorier forudsiger, at hvis de usynlige partikler eksisterer, flere begivenheder med stor ubalance og andre karakteristiske mønstre af synlige partikler kunne påvises ved ATLAS -eksperimentet. At sammenligne antallet af sådanne hændelser, som teori forudsiger, med antallet af hændelser, der observeres i detektoren, er en måde at søge indirekte efter usynlige partikler.

Selvom det viste sig at være en vellykket tilgang, der er begrænsninger. Hvad hvis de teoretiske modeller for mørkt stof er forkerte? Hvad hvis et helt andet fænomen er årsag til usynlige partikler? I øjeblikket, når teoretiske modeller viser sig at være forkerte, det kan være svært og tidskrævende at genbruge dataene til at teste nye modeller. For at gøre dette kræver en forståelse af, hvordan disse partikler blev registreret i detektorerne, hvordan begivenhederne blev valgt, og hvordan standardmodelprocesserne, der efterligner disse partikelmønstre, blev modelleret.

ATLAS-fysikere har udviklet en ny måle-ledet tilgang, som er designet til at være detektoruafhængig og muliggør let gentolkning af dataene i fremtiden. I denne tilgang, en mængde R ^{gå glip af} er defineret, som er følsom over for produktionshastigheden og egenskaberne for eventuelle usynlige partikler. Denne mængde måles i forhold til forskellige egenskaber ved kollisionshændelserne, herunder mængden af ​​momentumubalance og de synlige partiklers energi/momenta. Værdien af ​​denne mængde sammen med ændringer i disse målte egenskaber viser sig at give følsomhed over for usynlige partikler. Kendte henfald af Z bosoner produceret ved LHC-kollisioner i usynlige neutrinoer betyder, at denne mængde ikke er nul, selv i mangel af et nyt usynligt fænomen. Denne mængde korrigeres omhyggeligt for detektorens ineffektivitet, efterlader en måling fri for eksperimentel bias og uafhængig af enhver ny fysikhypotese (figur 1). Enhver fysiker kan derefter let sammenligne forudsigelser af deres model med denne måling.

For at demonstrere den nye tilgang, målingen bruges til at teste tre klart forskellige teoretiske modeller af mørkt stof, hvor det produceres enten (1) via den stærke kraft, (2) gennem forfald af Higgs bosoner, eller (3) via den svage kraft. Der observeres ingen tegn på mørkt stof, og derfor er ATLAS i stand til at lægge strenge begrænsninger på disse teorier (figur 2). Begrænsningerne er konkurrencedygtige med eksisterende tilgange, der har til formål at teste disse specifikke teorier og supplerer målinger fra rumbaserede indirekte detektionsforsøg.