Figur 1:En monojet -händelse registrerad av ATLAS -experimentet 2017, med en enda jet på 1,9 TeV transversell rörelsemängd som rekylerar mot motsvarande missing transversal momentum (MET). De gröna och gula staplarna visar energifyndigheterna i de elektromagnetiska och hadroniska kalorimetrarna, respektive. MET visas som den röda streckade linjen på motsatt sida av detektorn. Kredit:ATLAS Collaboration/CERN
Den mörka materiens natur är fortfarande en av de stora olösta gåtorna i grundläggande fysik. Oförklarad med standardmodellen, mörk materia har fått forskare att undersöka nya fysikmodeller för att förstå dess existens. Många sådana teoretiska scenarier postulerar att partiklar av mörk materia kan produceras i de intensiva proton-protonkollisionerna av LHC med hög energi. Medan den mörka materien skulle undkomma ATLAS -experimentet vid CERN osynligt, det kan ibland åtföljas av en synlig stråle av partiklar som utstrålas från interaktionspunkten, ger således en detekterbar signal.
ATLAS -samarbetet försökte hitta just det, släpper ett nytt sökande efter nya fenomen i kollisionshändelser med jetstrålar och högt saknad transversell momentum (MET). Sökningen var utformad för att avslöja händelser som kan indikera förekomsten av fysikprocesser som ligger utanför standardmodellen och, genom att göra så, öppna ett fönster till kosmos.
För att identifiera sådana händelser, fysiker utnyttjade principen om bevarande av momentum i det tvärgående detektorplanet - det vill säga vinkelrät mot strålriktningen - letar efter synliga jetstrålar som rekylar från något osynligt. Eftersom evenemang med jetplan är vanliga på LHC, fysiker förfinade sina parametrar ytterligare:händelserna måste ha minst en mycket energisk jet och betydande MET, genereras av momentumobalansen hos de "osynliga" partiklarna. Detta är känt som en monojet-händelse - ett spektakulärt exempel på vilket kan ses i figur 1, en evenemangsvisning 2017 med den högsta momentum (1,9 TeV) monojet som hittills registrerats av ATLAS.
En uppsjö av exotiska fenomen, inte direkt detekterbar av kolliderexperiment, kunde också ha gett denna karakteristiska monojet -signatur. ATLAS fysiker gav sig därför ut på att göra sin studie inkluderande flera nya fysikmodeller, inklusive de som har supersymmetri, mörk energi, stora extra rumsliga dimensioner, eller axionliknande partiklar.
Figur 2:Saknar tvärgående momentumfördelning efter monojet -valet i data och i standardmodellprognoserna. De olika bakgrundsprocesserna visas med färger. De förväntade fördelningarna av mörk energi, supersymmetriska och svagt interagerande massiva partikelscenarier illustreras med streckade linjer. Kredit:ATLAS Collaboration/CERN
Bevis på nya fenomen skulle ses i ett överskott av kollisionshändelser med stor MET jämfört med förväntan på standardmodellen. Att exakt förutsäga de olika bakgrundsbidragen var en viktig utmaning, eftersom flera rikliga standardmodellprocesser exakt kunde efterlikna signaltopologin – som produktionen av en jetplan plus en Z-boson, som sedan förfaller till två neutrinoer som också lämnar ATLAS utan att detekteras direkt.
Fysiker använde en kombination av datadrivna tekniker och högprecisionsteoretiska beräkningar för att uppskatta standardmodellens bakgrund. Den totala bakgrundsosäkerheten i signalområdet sträcker sig från cirka 1 % till 4 % i intervallet MET mellan 200 GeV och 1,2 TeV. Formen på MET -spektrumet användes för att öka diskrimineringskraften mellan signaler och bakgrunder, vilket ökar upptäcktspotentialen. Figur 2 visar en jämförelse av MET-spektrumet som observerats i hela datasetet som samlats in från ATLAS-experimentet under körning 2 (2015–2018), och standardmodellens förväntningar.
Eftersom inget signifikant överskott observerades, fysiker använde nivån av överensstämmelse mellan data och förutsägelse för att sätta gränser för parametrarna för nya fysikmodeller. I samband med svagt interagerande massiva partiklar (en populär kandidat för mörk materia), ATLAS-fysiker kunde utesluta partikelmassor av mörk materia upp till cirka 500 GeV och interaktionsaxialvektormediatorer upp till 2 TeV, båda på 95 % konfidensnivå. Dessa resultat ger de strängaste gränserna för mörk materia i kolliderarexperiment hittills, och en milstolpe i sökprogrammet ATLAS.
