Search for quantum black hole production in lepton+jet final states using proton-proton collisions at = 13 TeV with the ATLAS detector
Utilizzando 140 fb di dati di collisioni protone-protone a = 13 TeV raccolti dal rivelatore ATLAS, questo studio non ha trovato evidenze di buchi neri quantistici in stati finali leptone+jet, stabilendo un limite di soglia di massa inferiore di 8,8 TeV nel modello Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali e di 6,3 TeV nel modello Randall-Sundrum.
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L'universo, per come lo intendiamo, è costruito su una base di particelle e forze, un quadro noto come Modello Standard. Questa teoria spiega con successo come la materia si comporta e interagisce, eppure lascia un mistero profondo irrisolto: perché la gravità sia così incredibilmente debole rispetto alle altre forze fondamentali? Mentre un magnete può sollevare una graffetta contro l'intera attrazione gravitazionale della Terra, la gravità rimane la forza più debole della natura con un margine sbalorditivo. Per risolvere questo squilibrio, alcuni fisici hanno proposto che la gravità potrebbe non essere confinata nelle tre dimensioni dello spazio che sperimentiamo. Invece, potrebbe "perdere" energia in dimensioni extra nascoste, che sono troppo piccole per essere viste da noi. Se queste dimensioni extra esistessero, abbasserebbero la scala di energia necessaria affinché la gravità diventi forte, permettendole potenzialmente di manifestarsi in modi che possiamo rilevare.
In questo scenario, se due particelle collidessero con energia sufficiente, potrebbero non limitarsi a rimbalzare l'una contro l'altra; potrebbero formare momentaneamente un piccolo e fugace oggetto noto come buco nero quantistico. A differenza dei buchi neri massicci che si trovano al centro delle galassie, i quali sono così pesanti da inghiottire tutto ciò che hanno nelle vicinanze, queste versioni quantistiche sarebbero microscopiche e svanirebbero quasi istantaneamente. Decadrebbero immediatamente in una pioggia di altre particelle. La domanda è se possiamo cogliere un riflesso di questi momenti fugaci prima che scompaiano. Se ci riuscissimo, avremmo la prova diretta che le dimensioni extra esistono e che la gravità si comporta diversamente alle scale più piccole rispetto a come fa nel nostro mondo quotidiano.
Al Large Hadron Collider, un enorme acceleratore di particelle sepolto sottoterra vicino a Ginevra, gli scienziati fanno scontrare protoni a velocità vicine a quella della luce per ricreare le condizioni estreme dell'universo primordiale. Il rivelatore ATLAS, una macchina colossale delle dimensioni di una cattedrale, registra i detriti di queste collisioni. In uno studio recente, la collaborazione ATLAS ha utilizzato dati corrispondenti a 140 femtobarn inversi di luminosità integrata per cercare la firma specifica di questi buchi neri quantistici. Cercavano un evento molto particolare: una collisione che produce un singolo elettrone ad alta energia o un muone (un parente pesante dell'elettrone) accoppiato a un getto di particelle. Nei modelli testati dai ricercatori, un buco nero quantistico si formerebbe e poi decadrebbe esattamente in questa combinazione: un leptone e un quark, quest'ultimo visibile sotto forma di un getto.
Il team ha analizzato i dati concentrandosi sull'energia totale, o massa invariante, delle coppie elettrone-getto e muone-getto. Se fosse stato creato un buco nero quantistico, sarebbe apparso come un picco improvviso nel numero di eventi a una massa specifica, distinguendosi chiaramente dal fondo liscio e prevedibile delle ordinarie interazioni tra particelle. I ricercatori hanno cercato questi picchi in una regione in cui la massa era superiore a 2,0 TeV, una soglia abbastanza alta da garantire che stessero cercando nuova fisica piuttosto che processi noti. Hanno esaminato i dati con estrema cura, tenendo conto di ogni possibile fonte di errore e di rumore di fondo, dall'aspetto del modo in cui il rivelatore misura l'energia agli effetti sottili di collisioni multiple che avvengono simultaneamente.
Il risultato è stato un quadro chiaro e coerente dell'universo noto. La distribuzione dei punti dati concordava con le previsioni del Modello Standard entro le incertezze attese. Non c'erano picchi inaspettati, né improvvisi aumenti di eventi attribuibili alla formazione di un buco nero quantistico. I dati osservati apparivano esattamente come i ricercatori si aspettavano di vedere se solo particelle ordinarie stessero interagendo. Questa assenza di un segnale è, di per sé, una scoperta significativa. Permette ai ricercatori di stabilire limiti rigorosi su quanto pesanti possano essere questi buchi neri quantistici. Hanno determinato che, se questi oggetti esistono, devono essere più pesanti di 8,8 TeV nel modello con sei dimensioni extra, e più pesanti di 6,3 TeV nel modello con una dimensione extra.
Questi nuovi limiti rappresentano un miglioramento sostanziale rispetto alle ricerche precedenti. Spingendo il confine di ciò che è possibile rilevare, lo studio esclude efficacementamente l'esistenza di buchi neri quantistici negli intervalli di massa inferiori che erano precedentemente accessibili. Ci dice che, se la natura sta nascondendo queste dimensioni extra e i relativi buchi neri quantistici, essi si nascondono a energie ancora più elevate di quelle che siamo stati in grado di raggiungere finora. La ricerca continua, ma per ora l'universo rimane silenzioso sulla presenza di questi specifici oggetti quantistici nell'intervallo di energia esplorato dal rivelatore ATLAS. Il Modello Standard resta saldo, e la ricerca delle crepe nella sua fondamenta deve spostarsi verso energie ancora più elevate.
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