Shining Light on the Dark Sector: Search for Axion-like Particles and Other New Physics in Photonic Final States with FASER

En lo profundo del mundo subatómico, los físicos han sospechado durante mucho tiempo que el universo está mucho más concurrido de lo que sugiere el modelo estándar de la física de partículas. Este marco establecido describe con éxito los componentes conocidos de la materia y las fuerzas que los gobiernan, pero deja fuera una pieza crucial del rompecabezas: la materia oscura. Aunque sabemos que la materia oscura existe debido a su atracción gravitatoria sobre las galaxias, nunca hemos detectado directamente las partículas que la componen. Muchas teorías proponen que estas partículas ocultas son ligeras, interactúan débilmente y quizás son de larga vida, lo que significa que pueden recorrer vastas distancias antes de desaparecer. Si tales partículas existen, podrían producirse en las violentas colisiones de protones en el Gran Colisionador de Hadrones, para luego deslizarse a través de los enormes detectores diseñados para capturar la materia ordinaria y viajar cientos de metros hacia la roca circundante. Encontrarlas no solo revelaría la naturaleza de la materia oscura, sino que también abriría una ventana a un "sector oscuro" de la física que opera junto al que conocemos.

En el Gran Colisionador de Hadrones, una máquina que hace chocar protones a velocidades cercanas a la de la luz, un experimento especializado llamado FASER se encuentra posicionado a 480 metros del punto de colisión principal, resguardado dentro de un túnel estrecho. Esta ubicación es estratégica; se sitúa directamente en la trayectoria de las partículas que salen disparadas hacia adelante desde las colisiones, una región donde es más probable que aparezcan partículas ligeras y elusivas. Mientras que los detectores principales en el sitio de la colisión están rodeados de gruesas capas de hormigón y roca que detienen casi todo, F además está diseñado para captar las pocas partículas que pueden atravesar esta barrera. En su trabajo más reciente, la colaboración FASER centró su atención en un tipo específico de partícula hipotética llamada partícula de tipo axión. Estas son primas teóricas del axión, una partícula propuesta originalmente para resolver un misterio profundo en la física sobre por qué el universo se comporta de la manera en que lo hace bajo la fuerza nuclear fuerte. A diferencia de las partículas pesadas que se buscan habitualmente en la física de altas energías, estas partículas de tipo axión son ligeras y podrían decaer en pares de fotones de alta energía, o partículas de luz, mientras viajan a través del detector.

Los investigadores analizaron los datos recopilados durante 2022 y 2023, correspondientes a una cantidad masiva de colisiones protón-protón. Buscaban una firma muy específica: un estallido repentino e intenso de energía en su calorímetro electromagnético, un dispositivo que mide la energía de las partículas, sin que hubiera absolutamente ninguna señal en los sistemas de veto circundantes que indicara que una partícula cargada había entrado. Dado que las partículas hipotéticas son neutras, pasarían por los detectores iniciales sin dejar rastro, solo para decaer en dos fotones dentro del instrumento, creando un destello limpio de alta energía. El equipo tuvo que ser increíblemente cuidadoso para distinguir este signal del ruido de fondo, que está dominado por neutrinos. Los neutrinos son partículas fantasmales que también pasan a través de la roca y pueden interactuar con el material del detector, imitando a veces la firma de energía de las partículas buscadas. Para gestionar esto, los científicos utilizaron simulaciones computacionales sofisticadas para predecir exactamente cuántas interacciones de neutrinos deberían ocurrir en su rango de energía específico.

El resultado de esta meticulosa búsqueda fue un único evento. El detector registró un caso en el que apareció un depósito de alta energía en el calorímetro sin actividad previa, coincidiendo con el patrón esperado de una partícula de tipo axión en decaimiento. Sin embargo, los cálculos del equipo mostraron que esperaban ver aproximadamente 0.44 interacciones de neutrinos que pudieran parecerse exactamente igual, con un margen de incertidumbre que hace que la observación de un evento sea perfectamente consistente con el azar. En otras palabras, el único evento que encontraron era probablemente solo un neutrino haciendo lo que hacen los neutrinos, en lugar de un descubrimiento de nueva física. Debido a que la observación no excedió significativamente la expectativa del fondo, los investigadores no pudieron afirmar haber encontrado una nueva partícula. En su lugar, utilizaron este resultado para establecer nuevos límites, líderes mundiales, sobre dónde podrían existir estas partículas.

Al demostrar que no apareció un exceso de eventos más allá de lo que los neutrinos podían explicar, el experimento descartó eficazmente una amplia gama de posibilidades para estas partículas de tipo axión. El equipo determinó que, si estas partículas existen e interactúan con la fuerza nuclear débil de la manera en que ellos modelaron, no pueden tener ciertas combinaciones de masa y fuerza de interacción. Específicamente, excluyeron la posibilidad de que estas partículas tuvieran masas entre 100 y 250 millones de electronvoltios con fuerzas de interacción entre 3 x 10⁻⁵ y 5 x 10⁻⁴ inverso GeV. También extendieron estos límites a masas más pesadas, descartando partículas de hasta 300 millones de electronvoltios para interacciones más débiles. Este es un paso significativo hacia adelante porque sondea una región del espacio de parámetros que nunca había sido explorada antes, complementando otros experimentos que buscan versiones más ligeras o más pesadas de estas partículas.

El estudio no se detuvo en solo un tipo de partícula. Los mismos datos y métodos de análisis se aplicaron a varios otros modelos teóricos que producirían un destello de luz similar en el detector. Estos incluían modelos que involucran partículas que interactúan con los gluones, un tipo de portador de fuerza en el núcleo, así como nuevos tipos de partículas portadoras de fuerza relacionadas con el número de protones y neutrones en la materia, y partículas escalares ligeras que prefieren interactuar con los quarks up. Para cada uno de estos escenarios, la falta de un exceso significativo de eventos permitió al equipo trazar nuevas fronteras sobre dónde podrían esconderse estas partículas. Encontraron que su experimento es sensible a regiones de la física oculta del universo que anteriormente no estaban restringidas, estrechando efectivamente el espacio de búsqueda para futuros descubrimientos.

El éxito de esta búsqueda dependió en gran medida de la geometría única del detector FASER y su capacidad para filtrar el abrumador fondo de partículas ordinarias. El detector está equipado con capas de material centelleante que actúan como un guardián, deteniendo cualquier partícula cargada como los muones antes de que entren en el volumen sensible. Solo las partículas neutras pueden pasar por este guardián. Una vez dentro, el detector busca el patrón específico de deposición de energía que resultaría de una partícula decayendo en dos fotones. El análisis requirió una temporización precisa para asegurar que el evento ocurriera en sincronía con las colisiones de protones y una calibración cuidadosa para asegurar que las mediciones de energía fueran precisas. El equipo también tuvo que tener en cuenta el hecho de que el haz de partículas no es perfectamente recto, sino que tiene un ligero ángulo, lo que cambia ligeramente la trayectoria de las partículas a lo largo del viaje de 480 metros.

Este trabajo representa la primera vez que FASER busca nuevas partículas que decaen en fotones, marcando un nuevo capítulo en su exploración del sector oscuro. Aunque el único evento observado no fue un descubrimiento, la capacidad de descartar tantas posibilidades teóricas es un resultado científico poderoso. Nos dice que, si estas partículas ligeras y de larga vida existen, sus interacciones son mucho más débiles o tienen propiedades diferentes a los modelos probados aquí. El experimento demuestra que mirar mucho más abajo del punto de colisión es una estrategia viable y poderosa para encontrar la física que los detectores principales pasan por alto. A medida que el Gran Colisionador de Hadrones continúe operando y recolectando más datos, FASE podrá empujar estos límites aún más, potencialmente capturando algún día la tenue firma de una partícula que ha viajado a través de la tierra para revelar los secretos del sector oscuro.