Probing axion-like particles through associated gauge-boson recoil and polarization at the LHC

L'universo è pieno di attori invisibili. Mentre il Modello Standard della fisica delle particelle descrive con successo le particelle e le forze note, esso omette la natura della materia oscura e il motivo per cui l'universo è fatto di materia anziché di antimateria. Per colmare queste lacune, i fisici propongono l'esistenza di nuove particelle, più pesanti, che non sono ancora state viste. Tra i candidati più convincenti vi sono le particelle simili agli assioni (axion-like particles). Queste sono particelle ipotetiche e spettrali che potrebbero spiegare la materia oscura e altri misteri cosmici. Si prevede che interagiscano molto debolmente con la materia ordinaria, ma potrebbero occasionalmente rivelarsi trasformandosi in coppie di particelle leggere chiamate fotoni, o interagendo con i pesanti portatori della forza nucleare debole, noti come bosoni W e Z. Se queste particelle esistessero, lascerebbero dietro di sé un'impronta digitale unica nei detriti delle collisioni ad alta energia, distinta dalle impronte lasciate da particelle note come il bosone di Higgs.

Al Large Hadron Collider, l'acceleratore di particelle più potente al mondo, gli scienziati fanno scontrare protoni quasi alla velocità della luce per ricreare le condizioni dell'universo primordiale. Un team di ricercatori ha ora proposto un nuovo modo per dare la caccia a queste elusive particelle simili agli assioni utilizzando l'imminente High-Luminosity LHC, una versione aggiornata della macchina che opererà a un'energia nel centro di massa di 14 tera-elettronvolt con una luminosità integrata di 3 inverse attobarn. La loro strategia si concentra su uno scenario specifico: una collisione di protoni che produce una particella simile all'assione insieme a un bosone W o Z. La particella simile all'assione decadrebbe poi in due fotoni, mentre il bosone W o Z accompagnante decadrebbe in un leptone carico, come un elettrone o un muone, e possibilmente un neutrino. I ricercatori hanno simulato miliardi di questi eventi per vedere se il comportamento unico della particella simile all'assione potesse essere distinto dal massiccio fondo dei processi noti del Modello Standard.

La chiave di questa ricerca risiede nel modo in cui la particella simile all'assione interagisce con il bosone W o Z. A differenza del bosone di Higgs, che interagisce con questi portatori di forza in modo diretto e non derivativo, la particella simile all'assione interagisce attraverso un meccanismo più complesso e dipendente dal momento (momentum-dependent). Questa differenza nella fisica sottostante detta il modo in cui le particelle si allontanano dopo la collisione. Nello specifico, la particella simile all'assione costringe il bosone W o Z accompagnante a ruotare in una direzione molto specifica, nota come polarizzazione trasversa, e a rinunciare con un momento significativamente più alto di quanto farebbe un bosone di Higgs. I ricercatori si sono resi conto che misurando l'angolo in cui emergono i prodotti di decadimento del bosone W o Z e tracciando quanto forte venga colpito il bosone, potrebbero separare il segnale di una nuova particella dal rumore della fisica nota.

Per testare questa idea, il team ha eseguito simulazioni al computer dettagliate, modellando il comportamento del rilevatore e le complesse interazioni delle particelle. Si sono concentrati su un intervallo di massa per la particella simile all'assione compreso tra 20 e 200 gigaelettronvolt. Hanno scoperto che selezionando eventi in cui i due fotoni e il leptone carico presentavano caratteristiche specifiche di energia e angolo, potevano sopprimere il rumore di fondo. Lo strumento più potente nel loro arsenale era il "recoil" (ritorno di moto) del bosone W o Z. Poiché l'interazione della particella simile all'assione spinge il bosone con più forza, gli eventi con un bosone molto energetico erano molto più probabilmente un segnale che rumore di fondo. Inoltre, l'angolo del leptone carico rispetto alla direzione del volo del bosone rivelava lo stato di spin del bosone. Nel caso di una particella simile all'assione, il bosone era quasi esclusivamente polarizzato trasversalmente, mentre una particella simile all'Higgs produrrebbe una miscela di stati di spin, incluso un componente longitudinale significativo.

I ricercatori hanno combinato queste osservazioni utilizzando un algoritmo di apprendimento automatico sofisticato chiamato XGBoost, progettato per trovare schemi complessi in grandi set di dati. Hanno addestrato l'algoritmo per distinguere il segnale simulato dell'assione simile dai vari processi di fondo, come la produzione di un bosone W o Z con due fotoni da processi quantistici standard. I risultati sono stati promettenti. Anche senza fare affidamento sulla massa della coppia di fotoni per identificare la particella, l'algoritmo poteva separare il segnale dal fondo con alta efficienza. Quando hanno incluso l'informazione sulla massa, la separazione è diventata ancora più netta. Per uno scenario di riferimento in cui la particella simile all'assione ha una massa di 100 gigaelettronvolt, lo studio suggerisce che l'High-Luminosity LHC potrebbe rilevare queste particelle se il loro accoppiamento con il bosone W è più forte di circa 5,6 x 10 alla potenza di meno 3 inversa tera-elettronvolt. Ciò rappresenta un miglioramento significativo rispetto ai limiti attuali, aprendo potenzialmente una nuova finestra sulla fisica dell'universo primordiale.

Forse più importante, lo studio ha dimostrato che queste tecniche possono fare molto di più che trovare una nuova particella; possono aiutare a identificare che cos'è quella particella. Se un picco nei dati apparisse, potrebbe essere causato da una particella simile all'assione o da una diversa particella scalare simile all'Higgs della stessa massa. I ricercatori hanno mostrato che analizzando la polarizzazione e il recoil del bosone accompagnante, potrebbero distinguere tra le due. La particella simile all'assione lascerebbe una firma distinta di polarizzazione trasversa e alto recoil, mentre la particella simile all'Higgs mostrerebbe un pattern diverso. Ciò significa che se viene scoperta una nuova risonanza, gli stessi dati usati per trovarla potrebbero essere usati per comprenderne la natura fondamentale, distinguendo tra diverse teorie di nuova fisica.

Il lavoro evidenzia che il bosone di gauge accompagnante non è solo un'etichetta per marcare un evento, ma uno strumento diagnostico che codifica i dettagli dell'interazione. Sebbene i ricercatori abbiano notato che i tagli sperimentali e i limiti del rilevatore possano sfumare queste sottili caratteristiche, le loro simulazioni mostrano che la fisica sottostante è abbastanza robusta da essere rilevata. Hanno concluso che, sfruttando le uniche proprietà cinematiche e di polarizzazione della produzione associata, l'High-Luminosity LHC sarà in grado di sondare l'esistenza di particelle simili agli assioni con una sensibilità senza precedenti, rivelando potenzialmente un nuovo strato di realtà nascosto all'interno delle collisioni dei protoni.