Mörk materia är en okänd typ av materia som finns i universum som kan vara av partikelursprung. Ett av de mest kompletta teoretiska ramverken som inkluderar en kandidat för mörk materia är supersymmetri. Många supersymmetriska modeller förutsäger existensen av ett nytt stall, osynlig partikel som kallas den lättaste supersymmetriska partikeln (LSP), som har de rätta egenskaperna för att vara en mörk materiepartikel.

ATLAS Collaboration vid CERN har nyligen rapporterat två nya resultat på sökningar efter en LSP som utnyttjade experimentets fullständiga Run 2-dataprov taget vid 13 TeV proton-proton kollisionsenergi. Analyserna letade efter parproduktionen av två tunga supersymmetriska partiklar, som var och en sönderfaller till observerbara standardmodellpartiklar och en LSP i detektorn.

Identifiera saknad energi

En central utmaning för dessa sökningar är att kandidatpartiklar för mörk materia skulle fly ATLAS-detektorn utan att lämna en synlig signal. Deras närvaro kan endast härledas genom storleken på kollisionens saknade tvärgående momentum (E _T ^Fröken ) – en obalans i momentet för detekterade partiklar i planet vinkelrätt mot de kolliderande protonerna. I den täta miljön med många överlappande kollisioner som genereras av Large Hadron Collider (LHC), det kan vara svårt att separera äkta E _T ^Fröken från falska E _T ^Fröken härrörande från felmätning av det synliga kollisionsskräpet i detektorn.

För att lösa denna svårighet, ATLAS utvecklade en ny E _T ^Fröken signifikansvariabel som kvantifierar sannolikheten för att det observerade E _T ^Fröken härstammar från odetekterbara partiklar snarare än från felmätta föremål. Till skillnad från tidigare beräkningar helt baserade på den rekonstruerade händelsekinematik, den nya variabeln tar också hänsyn till upplösningen och sannolikheten för felidentifiering av var och en av de rekonstruerade partiklarna som används i beräkningen. Detta hjälper till att skilja mer effektivt mellan händelser med äkta och falsk E _T ^Fröken , respektive, som visas i figur 1, vilket förbättrar ATLAS förmåga att identifiera och delvis rekonstruera mörk materia partiklar.

Tillämpa nya rekonstruktionstekniker

Båda de nya ATLAS-sökningarna implementerar denna nya rekonstruktionsteknik till hela Run 2-datauppsättningen. En sökning söker efter parproduktionen av charginos (bosonernas laddade superpartners) och sleptonerna (leptonernas superpartners), respektive, som sönderfaller till antingen två elektroner eller myoner och ger upphov till stora E _T ^Fröken på grund av de flyende LSP:erna. Dessa signaler är mycket utmanande att extrahera eftersom de liknar standardmodellens dibosonprocesser, där vissa (men mindre) E _T ^Fröken produceras av osynliga neutriner. Händelser valdes ut på high E _T ^Fröken signifikans tillsammans med flera andra variabler som hjälper till att skilja signal från bakgrund. I avsaknad av ett betydande överskott i data jämfört med bakgrundsförväntningarna, starka gränser sattes för de övervägda supersymmetriska scenarierna, som visas i figur 2.

Den andra nya sökningen är inriktad på parproduktion av supersymmetriska bottenkvarkar (superpartners av bottenkvarkar), som båda sönderfaller till ett slutligt tillstånd som involverar en Higgs-boson och en LSP (plus en extra b-kvark). Sedan – att rikta in sig på Higgs bosonförfall till två b-kvarkar, eftersom det förutspås inträffa 58 procent av tiden – det slutliga tillståndet som mäts i ATLAS-detektorn skulle ha en unik signatur:stort E _T ^Fröken associerad med upp till sex jetstrålar av hadroniska partiklar, härstammar från b-kvarkar. På nytt, inget signifikant överskott av data hittades i denna sökning.

Båda resultaten sätter starka begränsningar för viktiga supersymmetriska scenarier, som kommer att vägleda framtida ATLAS-sökningar. Ytterligare, de ger ett exempel på hur nya rekonstruktionstekniker kan bidra till att förbättra känsligheten för nya fysiksökningar vid LHC.