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

L'universo è costruito su un insieme di regole che i fisici hanno impiegato un secolo per decodificare, un quadro noto come Modello Standard. Questo modello spiega con successo come interagiscono le particelle più piccole conosciute, ma lascia senza risposta alcune delle più grandi domande del cosmo. Non può spiegare cosa sia la materia oscura, perché ci sia più materia che antimateria, o come le particelle acquisiscano la loro massa in un modo che sembri naturale. Per colmare queste lacune, gli scienziati hanno proposto l'esistenza di nuove, nascoste particelle. Molte di queste particelle teoriche sono predette essere "a lunga vita", il che significa che non scompaiono nell'istante stesso in cui vengono create. Invece, esse viaggiano una distanza misurabile lontano dal punto della loro creazione prima di decadere in materia ordinaria. Trovare questi elusivi viaggiatori sarebbe una scoperta monumentale, offrendo una finestra diretta sulla fisica che risiede oltre la nostra attuale comprensione.

Al Large Hadard Collider, un enorme acceleratore di particelle sepolto sotto il confine tra Francia e Svizzera, gli scienziati fanno scontrare protoni a velocità vicine a quella della luce per ricreare le condizioni dell'universo primordiale. L'esperimento ATLAS, uno dei giganteschi rilevatori che circondano il punto di collisione, agisce come una fotocamera ad alta velocità che cattura i detriti di queste collisioni. In uno studio recente, la collaborazione ATLAS ha rivolto la sua attenzione a una firma molto specifica e insolita: un singolo punto di decadimento che avviene lontano dal sito di collisione, in profondità nei livelli esterni del rilevatore. Mentre la maggior parte delle particelle decade immediatamente o lascia una traccia chiara, queste ipotetiche particelle a lunga vita viaggerebbero per metri, talvolta anche decine di metri, prima di esplodere improvvisamente in uno spruzzo di particelle ordinarie. I ricercatori cercavano un "vertice spostato", un termine per indicare un punto di collisione che appare in un luogo dove non è avvenuta alcuna collisione, segnalando che una particella nascosta vi aveva viaggiato prima.

Il team ha analizzato una vasta quantità di dati raccolti tra il 2015 e il 2018, corrispondenti a 140 unità di intensità di collisione. Si sono concentrati nella loro ricerca sullo spettrometro dei muoni, l'involucro più esterno del rilevatore ATLAS, che si trova tra tre e quattordici metri dal centro della collisione. Questa regione è tipicamente riservata alla cattura dei muoni, un tipo di particella che può penetrare in profondità nella materia. Tuttavia, se una particella a lunga vita dovesse decadere lì, creerebbe un gruppo di tracce che sembrano una piccola esplosione avvenuta nello spazio vuoto. Per trovare questi eventi rari, gli scienziati hanno sviluppato algoritmi informatici specializzati capaci di ricostruire questi scoppi distanti e isolati, filtrando il rumore schiacciante delle collisioni di particelle ordinarie che avvengono molto più vicino al centro.

La ricerca è stata progettata per testare diverse teorie su cosa potrebbero essere queste particelle nascoste. Alcune teorie suggeriscono che siano correlate al bosone di Higgs, la particella scoperta nel 2012 che conferisce massa alle altre particelle. Altre propongono che siano legate allo squilibrio tra materia e antimateria nell'universo, o che siano un tipo di "particella simile a un assione" che interagisce molto debolmente con la luce. I ricercatori hanno anche cercato scenari in cui queste particelle vengono prodotte insieme a una particella nota chiamata bosone Z. Lanciando una rete ampia attraverso queste diverse possibilità, il team ha potuto determinare se uno qualsiasi di questi modelli teorici corrispondesse alla realtà dei loro dati.

Dopo aver setacciato milioni di eventi registrati, i ricercatori non hanno trovato prove dell'esistenza di queste particelle a lunga vita. Il numero di eventi osservati nel rilevatore esterno corrispondeva esattamente a quanto previsto dai processi di fondo noti, come particelle ordinarie che penetrano attraverso gli strati interni del rilevatore simulando un decadimento distante. Poiché nessun nuovo segnale è apparso, il team è stato in grado di stabilire limiti rigorosi sull'esistenza di queste particelle. Hanno determinato che, se queste particelle esistono, non possono essere prodotte ai ritmi previsti da molte teorie popolari. Nello specifico, per i modelli che coinvolgono il bosone di Higgs, hanno escluso la possibilità che il bosone di Higgs decada in queste particelle a lunga vita più dell'uno per cento delle volte, per particelle che viaggiano da cinque centimeti a quaranta metri prima di decadere.

Per i modelli che coinvolgono particelle simili ad assioni, questa ricerca ha prodotto i vincoli più forti ad oggi per particelle che viaggiano per più di qualche decina di centimetri. Lo studio ha anche combinato i suoi risultati con una ricerca precedente che cercava due di tali decadimenti invece di uno, estendendo la sensibilità a tempi di vita ancora più lunghi. Sebbene la ricerca non abbia trovato le nuove particelle che stava cacciando, il risultato è un passo significativo avanti nella ricerca per comprendere l'universo. Eliminando queste specifiche possibilità, gli scienziati hanno ristretto il percorso per le scoperte future, dicendo ai teorici esattamente dove non devono cercare e guidando la prossima generazione di esperimenti verso gli angoli rimanenti e inesplorati della fisica.