När Large Hadron Collider (LHC) krossar protoner vid en mass-energi på 13 TeV, det skapar ett rikt sortiment av partiklar som identifieras genom signaturen av deras interaktioner med ATLAS -detektorn. Men vad händer om kollideraren producerar partiklar som färdas genom ATLAS utan att interagera? Dessa "osynliga partiklar" kan ge svaren på några av fysikens största mysterier.

Ett exempel är mörk materia, som tycks utgöra 85 procent av massan i universum, men har ännu inte fastställts definitivt. Forskare utläser dess existens genom astrofysiska observationer, inklusive galaxbildning och gravitationell lins. Dock, de vet mer om vad det inte är än vad det är. Det finns ingen enda teori om mörk materia; olika förutsägelser har olika konsekvenser för dess egenskaper och hur det interagerar.

De osynliga partiklarna som produceras i LHC -kollisioner leder bort energi, vilket resulterar i en uppenbar obalans i energi/moment för de observerade synliga partiklarna. Teorier förutsäger att om de osynliga partiklarna finns, fler händelser med stor obalans och andra distinkta mönster av synliga partiklar kunde detekteras av ATLAS -experimentet. Att jämföra antalet sådana händelser som förutses av teorin med antalet händelser som observerats i detektorn är ett sätt att söka indirekt efter osynliga partiklar.

Även om det visat sig vara ett framgångsrikt tillvägagångssätt, det finns begränsningar. Vad händer om de teoretiska modellerna för mörk materia är fel? Vad händer om ett helt annat fenomen är orsaken till osynliga partiklar? För närvarande, när teoretiska modeller visar sig vara felaktiga, Det kan vara svårt och tidskrävande att återanvända data för att testa nya modeller. För att göra det krävs en förståelse för hur dessa partiklar registrerades i detektorerna, hur händelserna valdes ut, och hur standardmodellprocesser som efterliknar dessa partikelmönster modellerades.

ATLAS-fysiker har utvecklat en ny mätningsstyrd strategi, som är utformad för att vara detektoroberoende och möjliggör enkel tolkning av data i framtiden. I detta tillvägagångssätt, en mängd R ^Fröken är definierad, som är känslig för produktionstakten och egenskaperna hos osynliga partiklar. Denna mängd mäts mot olika egenskaper hos kollisionshändelserna, inklusive mängden momentumobalans och de synliga partiklarnas energi/moment. Värdet av denna kvantitet tillsammans med förändringar i dessa uppmätta egenskaper har visat sig ge känslighet för osynliga partiklar. Kända sönderfall av Z bosoner som produceras vid LHC-kollisioner i osynliga neutrinoer betyder att denna mängd är noll, även i avsaknad av ett nytt osynligt fenomen. Denna mängd korrigeras noggrant för detektorineffektivitet, lämnar en mätning fri från experimentell förspänning och oberoende av någon ny fysikhypotes (figur 1). Varje fysiker kan sedan enkelt jämföra förutsägelserna för sin modell mot denna mätning.

För att demonstrera det nya tillvägagångssättet, mätningen används för att testa tre tydligt olika teoretiska modeller av mörk materia, där den produceras antingen (1) via den starka kraften, (2) genom förfall av Higgs bosoner, eller (3) via den elektriskt svaga kraften. Inga tecken på mörk materia observeras och därför kan ATLAS sätta strikta begränsningar på dessa teorier (figur 2). Begränsningarna är konkurrenskraftiga mot befintliga tillvägagångssätt som syftar till att testa dessa specifika teorier och kompletterar mätningar från rymdbaserade indirekta upptäcktsexperiment.