ATLAS -eksperimentet sætter stærke begrænsninger på supersymmetrisk mørkt stof

Mørkt stof er en ukendt type stof, der findes i universet, og som kan være af partikeloprindelse. En af de mest komplette teoretiske rammer, der indeholder en kandidat til mørkt stof, er supersymmetri. Mange supersymmetriske modeller forudsiger eksistensen af ​​en ny stald, usynlig partikel kaldet den letteste supersymmetriske partikel (LSP), som har de rigtige egenskaber til at være en mørk stofpartikel.

ATLAS Collaboration hos CERN har for nylig rapporteret to nye resultater på søgninger efter en LSP, der udnyttede eksperimentets fulde Run 2-dataprøve taget ved 13 TeV proton-proton-kollisionsenergi. Analyserne ledte til parproduktion af to tunge supersymmetriske partikler, som hver forfalder til observerbare standardmodelpartikler og en LSP i detektoren.

Identificering af manglende energi

En central udfordring ved disse søgninger er, at kandidatpartikler i mørkt stof ville undslippe ATLAS -detektoren uden at efterlade et synligt signal. Deres tilstedeværelse kan kun udledes af størrelsen af ​​kollisionens manglende tværgående momentum (E _T ^{gå glip af} ) - en ubalance i momenta for detekterede partikler i planet vinkelret på de kolliderende protoner. I det tætte miljø med talrige overlappende kollisioner genereret af Large Hadron Collider (LHC), det kan være svært at adskille ægte E _T ^{gå glip af} fra falsk E _T ^{gå glip af} stammer fra fejlmåling af det synlige kollisionsaffald i detektoren.

For at løse denne vanskelighed, ATLAS udviklede en ny E _T ^{gå glip af} signifikansvariabel, der kvantificerer sandsynligheden for, at den observerede E _T ^{gå glip af} stammer fra ikke-detekterbare partikler frem for fra forkert målte objekter. I modsætning til tidligere beregninger udelukkende baseret på den rekonstruerede hændelses kinematik, den nye variabel tager også højde for opløsningen og fejlidentifikationssandsynligheden for hver af de rekonstruerede partikler, der blev brugt i beregningen. Dette hjælper med at skelne mere effektivt mellem begivenheder med ægte og falsk E _T ^{gå glip af} , henholdsvis, som vist i figur 1, forbedrer dermed ATLAS 'evne til at identificere og delvist rekonstruere partikler af mørkt stof.

Anvendelse af nye rekonstruktionsteknikker

Begge de nye ATLAS -søgninger implementerer denne nye rekonstruktionsteknik til det fulde Run 2 -datasæt. Én søgning søger efter parproduktion af charginos (de ladede superpartnere af bosoner) og sleptons (superpartnere af leptoner), henholdsvis, som henfalder til enten to elektroner eller muoner og giver anledning til stort E _T ^{gå glip af} på grund af de undslipende LSP'er. Disse signaler er meget udfordrende at udtrække, da de ligner Standard Model diboson -processer, hvor nogle (omend mindre) E _T ^{gå glip af} er fremstillet af usynlige neutrinoer. Begivenheder blev valgt ved høj E _T ^{gå glip af} betydning sammen med flere andre variabler, der hjælper med at skelne signal fra baggrund. I mangel af et betydeligt overskud i dataene i forhold til baggrundsforventningen, der blev sat stærke grænser for de betragtede supersymmetriske scenarier, som vist i figur 2.

Den anden nye søgning er rettet mod parproduktion af supersymmetriske bundkvarker (superpartnere af bundkvarker), som både henfalder til en endelig tilstand, der involverer en Higgs boson og en LSP (plus en ekstra b-kvark). Derefter-målretning mod Higgs boson henfalder til to b-kvarker, som det forudsiges at forekomme 58 procent af tiden - den endelige tilstand målt i ATLAS -detektoren ville have en unik signatur:stor E _T ^{gå glip af} forbundet med op til seks stråler af hadroniske partikler, stammer fra b-kvarker. Igen, der blev ikke fundet et væsentligt overskud af data i denne søgning.

Begge resultater sætter stærke begrænsninger på vigtige supersymmetriske scenarier, som vil guide fremtidige ATLAS -søgninger. Yderligere, de giver et eksempel på, hvordan nye rekonstruktionsteknikker kan hjælpe med at forbedre følsomheden ved nye fysik -søgninger på LHC.