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

Nel profondo del mondo subatomico, i fisici sospettano da tempo che l'universo sia molto più affollato di quanto suggerisca il modello standard della fisica delle particelle. Questo quadro consolidato descrive con successo i mattoni fondamentali della materia e le forze che li governano, ma omette un pezzo cruciale del puzzle: la materia oscura. Sebbene sappiamo che la materia oscura esiste a causa della sua attrazione gravitazionale sulle galassie, non abbiamo mai rilevato direttamente le particelle che la compongono. Molte teorie propongono che queste particelle nascoste siano leggere, interagiscano debolmente e siano forse longeve, il che significa che possono percorrere distanze enormi prima di svanire. Se tali particelle esistessero, potrebbero essere prodotte nelle violente collisioni di protoni nel Large Hadron Collider, per poi scivolare attraverso i massicci rivelatori progettati per catturare la materia ordinaria e viaggiare per centinaia di metri nella roccia circostante. Trovarle non solo rivelerebbe la natura della materia oscura, ma aprirebbe anche una finestra su un "settore oscuro" della fisica che opera parallelamente a quello che conosciamo.

Al Large Hadron Collider, una macchina che fa scontrare protoni a velocità quasi pari a quella della luce, un esperimento specializzato chiamato FASER è posizionato a 480 metri dal punto di collisione principale, incastonato in un tunnel stretto. Questa posizione è strategica; si trova direttamente nel percorso delle particelle che vengono scagliate in avanti dalle collisioni, una regione in cui è più probabile che appaiano particelle leggere ed elusive. Mentre i rivelatori principali nel sito di collisione sono circondati da spessi strati di cemento e roccia che fermano quasi tutto, FASE è progettato per catturare le poche particelle in grado di penetrare questa barriera. Nei suoi ultimi lavori, la collaborazione FASER ha rivolto la sua attenzione a un tipo specifico di particella ipotetica chiamata particella simile all'assione (axion-like particle). Queste sono cugine teoriche dell'assione, una particella proposta originariamente per risolvere un profondo mistero della fisica riguardante il motivo per cui l'universo si comporta come fa sotto l'influenza della forza nucleare forte. A differenza delle particelle pesanti solitamente ricercate nella fisica delle alte energie, queste particelle simili all'assione sono leggere e potrebbero decadere in coppie di fotoni ad alta energia, ovvero particelle di luce, mentre viaggiano attraverso il rivelatore.

I ricercatori hanno analizzato i dati raccolti durante il 2022 e il 2023, corrispondenti a una quantità massiccia di collisioni protone-protone. Cercavano una firma molto specifica: un improvviso e intenso scoppio di energia nel loro calorimetro elettromagnetico, un dispositivo che misura l'energia delle particelle, con l'assoluta assenza di segnali nei sistemi di veto circostanti che indichino l'ingresso di una particella carica. Poiché le particelle ipotetiche sono neutre, esse passerebbero attraverso i rivelatori iniziali senza lasciare traccia, per poi decadere in due fotoni nel profondo dello strumento, creando un lampo pulito ad alta energia. Il team ha dovuto essere incredibilmente attento a distinguere questo segnale dal rumore di fondo, che è dominato dai neutrini. I neutrini sono particelle fantasma che passano anch'esse attraverso la roccia e possono interagire con il materiale del rivelatore, talvolta mimando la firma energetica delle particelle ricercate. Per gestire ciò, gli scienziati hanno utilizzato sofisticate simulazioni al computer per prevedere esattamente quanti eventi di interazione dei neutrini dovrebbero verificarsi nel loro specifico intervallo di energia.

Il risultato di questa meticolosa ricerca è stato un singolo evento. Il rivelatore ha registrato un caso in cui un deposito di alta energia è apparso nel calorimetro senza attività a monte, corrispondente al pattern previsto per il decadimento di una particella simile all'assione. Tuttavia, i calcoli del team hanno mostrato che ci si aspettava di vedere circa 0,44 interazioni di neutrini che potessero apparire esattamente allo stesso modo, con un margine di incertezza che rende l'osservazione di un evento perfettamente coerente con il caso. In altre parole, il singolo evento trovato era probabilmente solo un neutrino che faceva ciò che fanno i neutrini, piuttosto che una scoperta di nuova fisica. Poiché l'osservazione non ha superato significativamente l'aspettativa del fondo, i ricercatori non potevano rivendicare la scoperta di una nuova particella. Invece, hanno utilizzato questo risultato per stabilire nuovi limiti, ai vertici mondiali, su dove queste particelle possano esistere.

Dimostrando che non è apparso alcun eccesso di eventi oltre quanto spiegabile dai neutrini, l'esperimento ha efficacemente escluso una vasta gamma di possibilità per queste particelle simili all'assione. Il team ha determinato che, se queste particelle esistono e interagiscono con la forza nucleare debole nel modo in cui sono state modellate, non possono avere determinate combinazioni di massa e forza di interazione. Nello specifico, hanno escluso la possibilità che queste particelle abbiano masse comprese tra 100 e 250 milioni di elettronvolt con intensità di interazione tra 3 x 10⁻⁵ e 5 x 10⁻⁴ GeV⁻¹. Hanno inoltre esteso questi limiti a masse più elevate, escludendo particelle fino a 300 milioni di elettronvolt per interazioni più deboli. Questo è un passo avanti significativo perché sonda una regione dello spazio dei parametri che non era mai stata esplorata prima, completando altri esperimenti che cercano versioni più leggere o più pesanti di queste particelle.

Lo studio non si è fermato a un solo tipo di particella. Gli stessi dati e metodi di analisi sono stati applicati a diversi altri modelli teorici che produrrebbero un lampo di luce simile nel rivelatore. Questi includevano modelli che coinvolgono particelle che interagiscono con i gluoni, un tipo di portatore di forza nel nucleo, nonché nuovi tipi di particelle portatrici di forza legate al numero di protoni e neutroni nella materia, e particelle scalari leggere che preferiscono interagire con gli up-quark. Per ciascuno di questi scenari, la mancanza di un eccesso significativo di eventi ha permesso al team di tracciare nuovi confini su dove queste particelle potrebbero nascondersi. Hanno scoperto che il loro esperimento è sensibile a regioni della fisica nascosta dell'universo precedentemente non vincolate, restringendo efficacemente lo spazio di ricerca per scoperte future.

Il successo di questa ricerca è dipeso fortemente dalla geometria unica del rivelatore FASER e dalla sua capacità di filtrare l'opprimente fondo di particelle ordinarie. Il rivelatore è dotato di strati di materiale scintillante che agiscono come un guardiano, bloccando qualsiasi particella carica come i muoni dall'entrare nel volume sensibile. Solo le particelle neutre possono passare attraverso questa porta. Una volta all'interno, il rivelatore cerca il pattern specifico di deposizione di energia che risulterebbe dal decadimento di una particella in due fotoni. L'analisi ha richiesto una temporizzazione precisa per garantire che l'evento fosse in sincronia con le collisioni dei protoni e una calibrazione accurata per garantire che le misurazioni dell'energia fossero precise. Il team ha anche dovuto tenere conto del fatto che il fascio di particelle non è perfettamente dritto ma presenta una leggera angolazione, il che cambia leggermente il percorso delle particelle durante il viaggio di 480 metri.

Questo lavoro rappresenta la prima volta che FASER ha cercato nuove particelle che decadono in fotoni, segnando un nuovo capitolo nella sua esplorazione del settore oscuro. Sebbene il singolo evento osservato non sia stato una scoperta, la capacità di escludere così tante possibilità teoriche è un potente risultato scientifico. Ci dice che, se queste particelle leggere e longeve esistono, hanno interazioni molto più deboli o proprietà diverse rispetto ai modelli qui testati. L'esperimento dimostra che guardare molto a valle del punto di collisione è una strategia valida e potente per trovare la fisica che i rivelatori principali perdono. Man mano che il Large Hadron Collider continua a operare e a raccogliere nuovi dati, FASER potrà spingere questi limiti ancora oltre, potenzialmente un giorno catturando la debole firma di una particella che ha viaggiato attraverso la terra per rivelare i segreti del settore oscuro.