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

El universo está construido sobre un conjunto de reglas que los físicos han pasado un siglo descodificando, un marco conocido como el Modelo Estándar. Este modelo explica con éxito cómo interactúan las partículas más pequeñas conocidas, pero deja sin respuesta algunas de las preguntas más grandes del cosmos. No puede explicar qué es la materia oscura, por qué hay más materia que antimateria, o cómo las partículas adquieren su masa de una manera que se sienta natural. Para llenar estos vacíos, los científicos han propuesto la existencia de nuevas partículas ocultas. Muchas de estas partículas teóricas se predice que son "de larga vida", lo que significa que no desaparecen en el instante en que son creadas. En su lugar, viajan una distancia mensurable lejos del punto de su creación antes de decaer en materia ordinaria. Encontrar a estos esquivos viajeros sería un descubrimiento monumental, ofreciendo una ventana directa a la física que se encuentra más allá de nuestro entendimiento actual.

En el Gran Colisionador de Hadrones, un enorme acelerador de partículas enterrado bajo la frontera entre Francia y Suiza, los científicos chocan protones entre sí a casi la velocidad de la luz para recrear las condiciones del universo temprano. El experimento ATLAS, uno de los gigantescos detectores que rodean el punto de colisión, actúa como una cámara de alta velocidad que captura los escombros de estas colisiones. En un estudio reciente, la colaboración ATLAS dirigió su atención a una firma muy específica e inusual: un único punto de decaimiento que ocurre lejos del sitio de la colisión, en lo profundo de las capas exteriores del detector. Mientras que la mayoría de las partículas decaen inmediatamente o dejan un rastro claro, estas hipotéticas partículas de larga vida viajarían metros, a veces incluso decenas de metros, antes de estallar repentinamente en una lluvia de partículas ordinarias. Los investigadores buscaban un "vértice desplazado", un término para un punto de colisión que aparece en un lugar donde no ocurrió ninguna colisión, señalando que una partícula oculta había viajado hasta allí primero.

El equipo analizó una vasta cantidad de datos recolectados entre 2015 y 2018, correspondientes a 140 unidades de intensidad de colisión. Se centraron su búsqueda en el espectrómetro de muones, la capa más externa del detector ATLAS, que se encuentra entre tres y catorce metros de distancia del centro de la colisión. Esta región está típicamente reservada para capturar muones, un tipo de partícula que puede penetrar profundamente en la materia. Sin embargo, si una partícula de larga vida decae allí, crearía un cúmulo de trazas que parecen una pequeña explosión ocurriendo en el espacio vacío. Para encontrar estos eventos raros, los científicos desarrollaron algoritmos computacionales especializados capaces de reconstruir estas explosiones distantes e aisladas, filtrando el ruido abrumador de las colisiones de partículas ordinarias que ocurren mucho más cerca del centro.

La búsqueda fue diseñada para probar diversas teorías sobre qué podrían ser estas partículas ocultas. Algunas teorías sugieren que están relacionadas con el bosón de Higgs, la partícula descubierta en 2012 que otorga masa a otras partículas. Otras proponen que están vinculadas al desequilibrio entre la materia y la antimateria en el universo, o que son un tipo de "partícula similar al axión" que interactúa muy débilmente con la luz. Los investigadores también buscaron escenarios donde estas partículas se producen junto a una partícula conocida llamada bosón Z. Al lanzar una red amplia a través de estas diferentes posibilidades, el equipo pudo determinar si alguno de estos modelos teóricos coincidía con la realidad de sus datos.

Tras filtrar los millones de eventos registrados, los investigadores no encontraron evidencia de estas partículas de larga vida. El número de eventos que observaron en el detector externo coincidió exactamente con lo que esperaban ver de los procesos de fondo conocidos, tales como partículas ordinarias atravesando las capas internas del detector y simulando un decaimiento distante. Debido a que ningún nuevo signo apareció, el equipo pudo establecer límites estrictos sobre la existencia de estas partículas. Determinaron que, si estas partículas existen, no pueden producirse a las tasas predichas por muchas teorías populares. Específicamente, para modelos que involucran al bosón de Higgs, descartaron la posibilidad de que el Higgs decaiga en estas partículas de larga vida más del uno por ciento de las veces, para partículas que viajan desde cinco centímetros hasta cuarenta metros antes de decaer.

Para los modelos que involucran partículas similares al axión, esta búsqueda produjo las restricciones más fuertes hasta la fecha para partículas que viajan más de unas pocas decenas de centímetros. El estudio también combinó sus resultados con una búsqueda previa que buscaba dos de tales decaimientos en lugar de uno, extendiendo la sensibilidad hacia tiempos de vida aún más largos. Aunque la búsqueda no encontró las nuevas partículas que perseguía, el resultado es un paso significativo hacia adelante en la búsqueda de la comprensión del universo. Al eliminar estas posibilidades específicas, los científicos han estrechado el camino para futuros descubrimientos, diciéndole a los teóricos exactamente dónde no necesitan buscar y guiando a la próxima generación de experimentos hacia los rincones restantes y no explorados de la física.