Search for events with one displaced vertex from long-lived neutral particles decaying into hadronic jets in the ATLAS muon spectrometer in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV

Das Universum ist auf einem Satz von Regeln aufgebaut, die Physiker seit einem Jahrhundert zu entschlüsseln versuchen – ein Rahmenwerk, das als Standardmodell bekannt ist. Dieses Modell erklärt erfolgreich, wie die kleinsten bekannten Teilchen miteinander interagieren, lässt jedoch einige der größten Fragen des Kosmos unbeantwortet. Es kann nicht erklären, was Dunkle Materie ist, warum es mehr Materie als Antimaterie gibt oder wie Teilchen auf eine Weise Masse erhalten, die sich natürlich anfühlt. Um diese Lücken zu schließen, haben Wissenschaftler die Existenz neuer, verborgener Teilchen vorgeschlagen. Viele dieser theoretischen Teilchen werden als „langlebig“ vorhergesagt, was bedeutet, dass sie nicht im Moment ihrer Entstehung sofort verschwinden. Stattdessen legen sie eine messbare Strecke vom Punkt ihrer Entstehung zurück, bevor sie in gewöhnliche Materie zerfallen. Diese flüchtigen Reisenden zu finden, wäre eine monumentale Entdeckung, die ein direktes Fenster in die Physik bietet, die jenseits unseres derzeitigen Verständnisses liegt.

Am Large Hadron Collider, einem massiven Teilchenbeschleuniger, der unter der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz begraben liegt, lassen Wissenschaftler Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zusammenstoßen, um die Bedingungen des frühen Universums zu rekonstruieren. Das ATLAS-Experiment, einer der riesigen Detektoren, die den Kollisionspunkt umgeben, fungt als Hochgeschwindigkeitskamera, die den Trümmerhaufen dieser Kollisionen einfängt. In einer kürzlich durchgeführten Studie wandte die ATLAS-Kollaboration ihre Aufmerksamkeit auf eine sehr spezifische und ungewöhnliche Signatur: einen einzelnen Zerfallspunkt, der weit entfernt vom Kollisionsort tief in den äußeren Schichten des Detektors auftritt. Während die meisten Teilchen sofort zerfallen oder eine klare Spur hinterlassen, würden diese hypothetischen langlebigen Teilchen Meter, manchmal sogar Zehn Meter weit reisen, bevor sie plötzlich in einen Strahl aus gewöhnlicher Materie explodieren. Die Forscher suchten nach einem „displaced vertex“ (einem versetzten Vertex), einem Begriff für einen Kollisionspunkt, der an einem Ort erscheint, an dem eigentlich keine Kollision stattfand, was signalisiert, dass ein verborgenes Teilchen zuerst dorthin gereist ist.

Das Team analysierte eine riesige Menge an Daten, die zwischen 2015 und 2018 gesammelt wurden, was 140 Einheiten der Kollisionsintensität entspricht. Sie konzentrierten ihre Suche auf das Myon-Spektrometer, die äußerste Schale des ATLAS-Detektors, die drei bis vierzehn Meter vom Zentrum entfernt liegt. Diese Region ist normalerweise für das Auffangen von Myonen reserviert, einer Art von Teilchen, die tief in Materie eindringen können. Wenn jedoch ein langlebiges Teilchen dort zerfällt, würde es einen Cluster von Spuren erzeugen, die wie eine winzige Explosion im leeren Raum aussehen. Um diese seltenen Ereignisse zu finden, entwickelten die Wissenschaftler spezialisierte Computeralgorithmen, die in der Lage sind, diese fernen, isolierten Aktivitätsausbrüche zu rekonstruieren und dabei den überwältigenden Lärm gewöhnlicher Teilchenkollisionen, die viel näher am Zentrum stattfinden, herauszufiltern.

Die Suche wurde entworfen, um verschiedene Theorien darüber zu testen, was diese verborgenen Teilchen sein könnten. Einige Theorien legen nahe, dass sie mit dem Higgs-Boson verwandt sind, dem Teilchen, das 2012 entdeckt wurde und anderen Teilchen Masse verleiht. Andere schlagen vor, dass sie mit dem Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie im Universum verknüpft sind, oder dass sie eine Art von „axion-ähnlichem Teilchen“ sind, das sehr schwach mit Licht interagiert. Die Forscher untersuchten auch Szenarien, in denen diese Teilchen zusammen mit einem bekannten Teilchen namens Z-Boson erzeugt werden. Indem sie ein weites Netz über diese verschiedenen Möglichkeiten auswarfen, konnte das Team bestimmen, ob eines dieser theoretischen Modelle mit der Realität ihrer Daten übereinstimmt.

Nachdem sie Millionen von aufgezeichneten Ereignissen gesichtet hatten, fanden die Forscher keinen Beweis für diese langlebigen Teilchen. Die Anzahl der beobachteten Ereignisse in den äußeren Detektorbereichen entsprach exakt dem, was sie von bekannten Hintergrundprozessen erwarteten, wie etwa gewöhnlichen Teilchen, die durch die inneren Schichten des Detektors dringen und einen fernen Zerfall imitieren. Da kein neues Signal auftauchte, konnte das Team strenge Grenzen für die Existenz dieser Teilchen setzen. Sie stellten fest, dass diese Teilchen, falls sie existieren, nicht mit den Raten produziert werden können, die von vielen populären Theorien vorhergesagt werden. Speziell für Modelle, die das Higgs-Boson betreffen, schlossen sie die Möglichkeit aus, dass das Higgs öfter als ein Prozent der Zeit in diese langlebigen Teilchen zerfällt, für Teilchen, die irgendwo zwischen fünf Zentimetern und vierzig Metern reisen, bevor sie zerfallen.

Für die Modelle mit axion-ähnlichen Teilchen lieferte diese Suche die bisher stärksten Einschränkungen für Teilchen, die mehr als ein paar Zehn Zentimeter reisen. Die Studie kombinierte ihre Ergebnisse auch mit einer vorangegangenen Suche, die nach zwei solchen Zerfällen statt nach einem suchte, was die Sensitivität auf noch längere Lebensdauern ausdehnte. Obwohl die Suche nicht die neuen Teilchen fand, nach denen sie jagte, ist das Ergebnis ein bedeutender Schritt nach vorn im Bestreben, das Universum zu verstehen. Durch das Eliminieren dieser spezifischen Möglichkeiten haben die Wissenschaftler den Pfad für zukünftige Entdeckungen verengt, indem sie den Theoretikern genau sagen, wo sie nicht suchen müssen, und so die nächste Generation von Experimenten auf die verbleibenden, unerforschten Winkel der Physik lenken.