Ny præcisionssøgning efter mørkt stof fra ATLAS Experiment

Mørkt stofs natur forbliver et af de store uløste gåder i fundamental fysik. Uforklaret af standardmodellen, mørkt stof har fået videnskabsmænd til at undersøge nye fysikmodeller for at forstå dets eksistens. Mange sådanne teoretiske scenarier postulerer, at mørkt stof partikler kunne produceres i de intense højenergi-proton-proton-kollisioner af LHC. Mens det mørke stof ville undslippe ATLAS-eksperimentet på CERN uset, det kan lejlighedsvis være ledsaget af en synlig stråle af partikler udstrålet fra interaktionspunktet, giver således et detekterbart signal.

ATLAS-samarbejdet satte sig for at finde netop det, frigivelse af en ny søgen efter nye fænomener i kollisionshændelser med jetfly og højt manglende tværgående momentum (MET). Søgningen var designet til at afdække begivenheder, der kunne indikere eksistensen af ​​fysikprocesser, der ligger uden for standardmodellen og, derved, åbne et vindue til kosmos.

For at identificere sådanne begivenheder, fysikere udnyttede princippet om momentumbevarelse i det tværgående detektorplan - dvs. vinkelret på stråleretningen - på udkig efter synlige stråler, der trækker sig tilbage fra noget usynligt. Da begivenheder med jetfly er almindelige på LHC, fysikere forfinede deres parametre yderligere:begivenhederne skulle have mindst én meget energisk jet og betydelig MET, genereret af momentumubalancen af ​​de "usynlige" partikler. Dette er kendt som en monojet-begivenhed - et spektakulært eksempel på hvilket kan ses i figur 1, en begivenhedsvisning fra 2017 med det højeste momentum (1,9 TeV) monojet, der hidtil er optaget af ATLAS.

Et væld af eksotiske fænomener, ikke direkte påviselig ved kollider-eksperimenter, kunne også have givet denne karakteristiske monojet-signatur. ATLAS-fysikere satte sig således for at gøre deres undersøgelse inkluderende af flere nye fysikmodeller, inklusive dem med supersymmetri, mørk energi, store ekstra rumlige dimensioner, eller axion-lignende partikler.

Beviser for nye fænomener ville blive set i et overskud af kollisionshændelser med stor MET sammenlignet med standardmodellens forventning. At forudsige de forskellige baggrundsbidrag nøjagtigt var en nøgleudfordring, da adskillige rigelige standardmodelprocesser nøjagtigt kunne efterligne signaltopologien - såsom produktionen af ​​et jetfly plus en Z-boson, som derefter henfalder til to neutrinoer, der også forlader ATLAS uden at blive opdaget direkte.

Fysikere brugte en kombination af datadrevne teknikker og højpræcisionsteoretiske beregninger til at estimere standardmodellens baggrund. Den samlede baggrundsusikkerhed i signalområdet varierer fra omkring 1 % til 4 % i intervallet MET mellem 200 GeV og 1,2 TeV. Formen af ​​MET-spektret blev brugt til at forbedre diskriminationskraften mellem signaler og baggrunde, dermed øge opdagelsespotentialet. Figur 2 viser en sammenligning af MET-spektret observeret i hele datasættet indsamlet fra ATLAS-eksperimentet under kørsel 2 (2015-2018), og standardmodellens forventning.

Da der ikke blev observeret noget væsentligt overskud, fysikere brugte niveauet af overensstemmelse mellem data og forudsigelsen til at sætte grænser for parametrene for nye fysikmodeller. I sammenhæng med svagt interagerende massive partikler (en populær kandidat for mørkt stof), ATLAS fysikere var i stand til at udelukke mørkt stof partikelmasser op til omkring 500 GeV og interaktion aksial-vektor mediatorer op til 2 TeV, begge på 95 % konfidensniveau. Disse resultater giver de hidtil strengeste grænser for mørkt stof i collider-eksperimenter, og en milepæl i ATLAS-søgeprogrammet.