High-luminosity-uppgraderingen av Large Hadron Collider (HL-LHC) är planerad att börja kollidera med protoner 2026. Denna stora förbättring av CERNs flaggskeppsaccelerator kommer att öka det totala antalet kollisioner i ATLAS-experimentet med en faktor 10. För att klara det med denna ökning, ATLAS förbereder en komplex serie av uppgraderingar inklusive installation av nya detektorer med hjälp av den senaste tekniken, ersättning av åldrande elektronik, och uppgraderingen av dess trigger- och datainsamlingssystem.

Vilka upptäcktsmöjligheter kommer att finnas inom räckhåll för ATLAS med HL-LHC-uppgraderingen? Hur exakt kommer fysiker att kunna mäta egenskaperna hos Higgs-bosonen? Hur djupt kommer de att kunna undersöka standardmodellprocesser för tecken på ny fysik? ATLAS Collaboration har genomfört och släppt dussintals studier för att besvara dessa frågor - vars resultat har varit värdefull input till diskussioner hölls denna vecka på symposiet om den europeiska strategin för partikelfysik, i Granada, Spanien.

"Att studera upptäcktspotentialen hos HL-LHC var en fascinerande uppgift i samband med ATLAS-uppgraderingarna, " säger Simone Pagan Griso, ATLAS Upgrade Physics Group medsammankallande. "Resultaten är informativa inte bara för ATLAS Collaboration utan för hela den globala partikelfysikgemenskapen, när de omvärderar de möjligheter och utmaningar som ligger framför oss." dessa studier sätter viktiga riktmärken för kommande generationer av partikelfysikexperiment.

Pagan Griso arbetade med Leandro Nisati, ATLAS-representanten i styrgruppen för HL-LHC Physics Potential "Yellow Report", och kollega ATLAS Upgrade Physics Group medsammankallande, Sarah Demers, att samordna dessa studier för samarbetet. "En gul rapport från CERN, med publicering i dess slutliga form, kommer att kombinera ATLAS resultat med de från andra LHC-experiment, såväl som input från teoretiska fysiker, säger Nisati.

Uppskattning av prestanda för en maskin som ännu inte har byggts, som kommer att fungera under omständigheter som aldrig har konfronterats, var en komplex uppgift för ATLAS-teamet. "Vi tog två parallella tillvägagångssätt, " förklarar Demers. "För en uppsättning analysprognoser, vi började med simuleringar av de utmanande HL-LHC experimentella förhållandena. Dessa simulerade fysikhändelser skickades sedan genom anpassad programvara för att visa oss hur partiklarna skulle interagera med en uppgraderad ATLAS-detektor. Vi utvecklade sedan nya algoritmer för att försöka plocka fysiksignalerna från den utmanande mängden bakgrundshändelser." Att hantera riklig bakgrund kommer att vara en vanlig komplikation för HL-LHC-operation.

Efter detta tillvägagångssätt, teamet fann att HL-LHC-datauppsättningen kommer att tillåta ATLAS att jaga efter nya massiva Z-bosoner (betecknade Z') så tunga som 6,5 TeV, och sök efter nya W'-bosoner upp till 7,9 TeV-massa. "Denna metod var användbar eftersom den lärde oss om den potentiella fysikräckvidden för den uppgraderade ATLAS-detektorn, men det hade också sina begränsningar, " säger Demers. "Vår erfarenhet har visat att, när vi blir bekanta med detektorns och acceleratorns funktion, vi kan förbättra våra datainsamlingstekniker och har nya idéer för fysikanalyser. Det är svårt att kvantifiera hur mycket förbättring ett decennium av tänkande och hårt arbete kommer att medföra!"

Det andra tillvägagångssättet som användes i HL-LHC fysikprojektioner utnyttjade ATLAS bästa nuvarande fysikresultat. Teamet övervägde vilka komponenter i analyserna som förväntades förbättras, försämras eller förbli oförändrad under de nya HL-LHC-förhållandena. Det rika panoramaet av Higgs bosonfysik var av betydande fokus, eftersom dess studie är bland de primära målen för HL-LHC-uppgraderingen. Den stora datamängden som förväntas från HL-LHC kommer att vara avgörande för att avslöja många av de okända Higgs-bosonerna.

"Att använda aktuella ATLAS-fysikresultat, vi projicerade osäkerheter under 5 % på mätningar av hastigheten för fem typer av Higgs bosonsönderfall:till b kvarkar, att taus, till W bosoner, till Z-bosoner och till fotoner, " säger Pagan Griso. "Enligt dessa prognoser, vi kommer också att vara mycket känsliga för sällsynta sönderfall av Higgs boson, såsom dess förfall till myoner."

Denna andra metod gynnades av den fulla sofistikeringen och optimeringen av ATLAS nuvarande analyser. Dock, till skillnad från det första tillvägagångssättet, den kunde inte direkt överväga de förbättringar som den uppgraderade ATLAS-detektorn kommer att medföra. Det kan inte heller helt uppskatta hur mycket svårare fysikanalys kommer att bli under HL-LHC:s extrema förhållanden. Som sådan, en kombination av de två tillvägagångssätten ger bästa möjliga förutsägelse av ATLAS fysikpotential vid HL-LHC.

Under loppet av denna studie, ATLAS har publicerat över 40 offentliga anteckningar som dokumenterar resultat från över 80 analyskanaler. Dessa resultat är alla offentligt tillgängliga och kommer att informera om prioriteringsstrategier för fysiker runt om i världen. "Dessa studier representerar vår bästa förståelse för den enorma fysikpotential som väntar på ATLAS, " avslutar Demers. "Det är spännande att ha sådana möjligheter framför oss, när vi fortsätter att lära av den nuvarande LHC-datauppsättningen och arbetar för att maximera informationen om vårt universum som ATLAS kan tillhandahålla."