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 TeV
ATLASコラボレーションは、140 fbの13 TeV陽子・陽子衝突データを用い、ミューオンスペクトロメータ内でのハドロンジェットへの崩壊を伴う長寿命中性粒子を探索し、背景事象に対する超過を見出さなかったことから、フォトフォビックなアクシオン様粒子の現時点での最強の制限を設定するとともに、崩壊長が5 cmから40 mの間において、1%を超えるヒッグス粒子の分岐比を排除した。
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宇宙は、物理学者が一世紀にわたって解読してきた一連の規則、すなわち「標準模型」として知られる枠組みの上に築かれています。このモデルは、既知の最小の粒子がどのように相互作用するかを説明することには成功していますが、宇宙における最大の疑問のいくつかを未解決のまま残しています。それは、ダークマターとは何か、なぜ物質が反物質よりも多いのか、あるいは粒子がどのようにして自然な形で質量を獲得するのかといった問いを説明できません。これらの空白を埋めるために、科学者たちは新しい隠れた粒子の存在を提唱してきました。これらの理論上の粒子の多くは、「長寿命」であると予測されています。つまり、生成された瞬間に消滅するのではなく、通常の物質へと崩壊する前に、生成地点から測定可能な距離を移動するというものです。これら捉えどころのない旅人を見つけ出すことは、現在の理解を超えた物理学への直接的な窓を開く、記念碑的な発見となるでしょう。
フランスとスイスの国境下に埋設された巨大な粒子加速器、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）において、科学者たちは陽子を光速に近い速度で衝突させ、初期宇宙の状態を再現しています。衝突点を取り囲む巨大な検出器の一つであるATLAS実験は、これらの衝突によって生じる破片を捉える高速カメラとして機能します。最近の研究において、ATLASコラボレーションは、非常に特定かつ特異なシグネチャー、すなわち検出器の外層深く、衝突地点から遠く離れた場所で発生する単一の崩壊現象に注目しました。ほとんどの粒子は即座に崩壊するか明確な軌跡を残しますが、これらの仮説上の長寿命粒子は、数メートル、時には数十メートルも移動してから、突然、通常の粒子の噴出へと変化します。研究者たちは、「変位した頂点（ディスプレイスド・バーテックス）」を探していました。これは、実際には衝突が起きていない場所に出現する衝突点のことであり、隠れた粒子がそこに先に到達したことを示唆するものです。
チームは、2015年から2018年までの、140単位の衝突強度に相当する膨大なデータを分析しました。彼らは、衝突の中心から3メートルから14メートルの位置にあるATLAS検出器の外殻、ミューオン・スペクトロメータに焦点を絞りました。この領域は通常、物質を深く貫通できる粒子の一種であるミューオンを捉えるためのものです。しかし、もし長寿命粒子がそこで崩壊すれば、それはまるで何もない空間で小さな爆発が起きたかのような、トラック（軌跡）の集まりを作り出します。これらの稀なイベントを見つけ出すために、科学者たちは、中心部付近で頻繁に起こる通常の粒子衝突による圧倒的なノイズを排除しながら、これら遠方の孤立した活動を再構成できる特殊なコンピュータ・アルゴリズムを開発しました。
この探索は、これらの隠れた粒子がどのようなものであるかについての、いくつかの異なる理論を検証するように設計されました。ある理論は、2012年に発見され、他の粒子に質量を与えるヒッグス粒子に関連していると示唆しています。また別の理論は、これらが宇宙における物質と反物質の不均衡に関連しているか、あるいは光と極めて弱く相互作用する「アクシオン様粒子」の一種であることを提唱しています。研究者たちは、これらの粒子がZボソンと呼ばれる既知の粒子と共に生成されるシナリオについても調査しました。このように異なる可能性に対して広い網を張ることで、チームは、これらの理論的モデルのいずれかが実際のデータと一致するかどうかを判断することができました。
数百万件の記録されたイベントを精査した後、研究者たちはこれらの長寿命粒子の証拠を見つけることはできませんでした。観測されたイベントの数は、内層の検出器を突き抜けて遠くの崩壊を模倣する通常の粒子といった、既知の背景プロセスから予想される数値と正確に一致していました。新しいシグナルが現れなかったため、チームはこれらの粒子の存在に対して厳格な制限を設けることができました。彼らは、もしこれらの粒子が存在するならば、多くの人気のある理論が予測するような割合では生成されないことを突き止めました。具体的には、ヒッグス粒子を含むモデルについては、ヒッグスがこれらの長寿命粒子へと崩壊する確率は、粒子が5センチメートルから40メートルの間を移動する場合において、1パーセントを超えないということを排除しました。
アクシオン様粒子に関するモデルについては、この探索は、粒子が数十センチメートル以上移動する場合において、現在までで最も強力な制約をもたらしました。また、この研究は、一つの崩壊ではなく二つの崩壊を探求した以前の探索と結果を組み合わせることで、より長い寿命に対する感度を拡張しました。この探索は、追い求めていた新しい粒子を見つけることはできませんでしたが、その結果は宇宙を理解しようとする探求における重要な一歩となりました。これらの特定の可能性を排除することで、科学者たちは将来の発見への道を狭め、理論家たちに対して「どこを探す必要がないか」を正確に伝え、次世代の実験を、残された未探索の物理学の領域へと導いたのです。
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