Undersøgelse af det videnskabelige potentiale ved ATLAS-eksperimentet ved High-Luminosity LHC

High-Luminosity-opgraderingen af ​​Large Hadron Collider (HL-LHC) planlægger at begynde at kollidere protoner i 2026. Denne store forbedring af CERNs flagskibsaccelerator vil øge det samlede antal kollisioner i ATLAS-eksperimentet med en faktor 10. At klare med denne stigning, ATLAS forbereder en kompleks serie af opgraderinger, herunder installation af nye detektorer ved hjælp af topmoderne teknologi, udskiftning af ældningselektronik, og opgraderingen af ​​dets trigger- og dataindsamlingssystem.

Hvilke opdagelsesmuligheder vil der være inden for rækkevidde af ATLAS med HL-LHC-opgraderingen? Hvor præcist vil fysikere være i stand til at måle egenskaberne ved Higgs -bosonen? Hvor dybt vil de være i stand til at undersøge standardmodelprocesser for tegn på ny fysik? ATLAS -samarbejdet har gennemført og frigivet snesevis af undersøgelser for at besvare disse spørgsmål - hvis resultater har været værdifulde input til diskussioner afholdt i denne uge på symposiet om den europæiske strategi for partikelfysik, i Granada, Spanien.

"At studere opdagelsespotentialet for HL-LHC var en fascinerende opgave forbundet med ATLAS-opgraderingerne, "siger Simone Pagan Griso, ATLAS Upgrade Physics Group medstæder. "Resultaterne er informative ikke kun for ATLAS-samarbejdet, men for hele det globale partikelfysiske samfund, når de genvurderer de muligheder og udfordringer, der ligger foran os. "Faktisk, disse undersøgelser satte vigtige benchmarks for kommende generationer af partikelfysiske eksperimenter.

Pagan Griso arbejdede sammen med Leandro Nisati, ATLAS-repræsentanten i HL-LHC Physics Potential "Yellow Report" styregruppe, og kollega med ATLAS Upgrade Physics Group, Sarah Demers, at koordinere disse undersøgelser til samarbejdet. "En CERN gul rapport, med offentliggørelse i sin endelige form, vil kombinere ATLAS 'resultater med dem fra andre LHC -eksperimenter, samt input fra teoretiske fysikere, "siger Nisati.

Estimering af ydeevnen for en maskine, der endnu ikke er bygget, som fungerer under omstændigheder, der aldrig er blevet konfronteret, var en kompleks opgave for ATLAS -teamet. "Vi tog to parallelle tilgange, "forklarer Demers." For et sæt analysefremskrivninger, vi begyndte med simuleringer af de udfordrende HL-LHC eksperimentelle forhold. Disse simulerede fysikhændelser blev derefter passeret gennem brugerdefineret software for at vise os, hvordan partiklerne ville interagere med en opgraderet ATLAS -detektor. Vi udviklede derefter nye algoritmer til at forsøge at vælge de fysiske signaler fra den udfordrende mængde baggrundshændelser. "Håndtering af rigelig baggrund vil være en almindelig komplikation for HL-LHC-drift.

Efter denne tilgang, teamet fandt ud af, at HL-LHC-datasættet vil tillade ATLAS at jage efter nye massive Z bosoner (betegnet Z ') så tung som 6,5 TeV, og søg efter nye W 'bosoner op til 7,9 TeV masse. "Denne metode var nyttig, fordi den lærte os om den opgraderede ATLAS -detektors potentielle fysiske rækkevidde, men det havde også sine begrænsninger, "siger Demers." Vores erfaring har vist, at efterhånden som vi får kendskab til detektoren og acceleratoren, vi er i stand til at forbedre vores datatagningsteknikker og få nye ideer til fysikanalyser. Det er svært at kvantificere, hvor meget forbedring et årti med at tænke og arbejde hårdt vil bringe! "

Den anden tilgang, der blev brugt i HL-LHC fysikprognoser, udnyttede ATLAS's bedste aktuelle fysikresultater. Teamet overvejede hvilke komponenter i analyserne, der forventedes at blive forbedret, nedbrydes eller forblive den samme under de nye HL-LHC-forhold. Det rige panorama over Higgs bosonfysik var af væsentlig fokus, da undersøgelsen er blandt de primære mål for HL-LHC-opgraderingen. Det store datasæt, der forventes fra HL-LHC, vil være afgørende for at afdække mange af de ubekendte i Higgs-bosonen.

"Brug af aktuelle ATLAS -fysikresultater, vi forudsagde usikkerheder under 5% på målinger af hastighederne for fem typer af Higgs -bosonforfald:til b -kvarker, at taus, til W bosoner, til Z bosoner og til fotoner, "siger Pagan Griso." Ifølge disse fremskrivninger, vi vil også være meget følsomme over for sjældne forfald i Higgs -bosonen, såsom dets forfald til muoner. "

Denne anden metode har nydt godt af den fulde raffinement og optimering af ATLAS 'aktuelle analyser. Imidlertid, i modsætning til den første tilgang, den kunne ikke direkte overveje de forbedringer, som den opgraderede ATLAS -detektor vil bringe. Det kan heller ikke helt estimere, hvor meget vanskeligere fysikanalyse der bliver under de ekstreme forhold ved HL-LHC. Som sådan, en kombination af de to tilgange giver den bedst mulige forudsigelse af ATLAS 'fysikpotentiale ved HL-LHC.

I løbet af denne undersøgelse, ATLAS har offentliggjort over 40 offentlige noter, der dokumenterer resultater fra over 80 analysekanaler. Disse resultater er alle offentligt tilgængelige og vil informere prioriteringsstrategier for fysikere rundt om i verden. "Disse undersøgelser repræsenterer vores bedste forståelse af det enorme fysikpotentiale, der venter ATLAS, "slutter Demers." Det er spændende at have sådanne muligheder foran os, da vi fortsat lærer af det nuværende LHC -datasæt og arbejder på at maksimere de oplysninger om vores univers, som ATLAS kan levere. "