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

Het universum is gebouwd op een reeks regels die natuurkundigen al een eeuw lang proberen te ontcijferen, een raamwerk dat bekend staat als het Standaardmodel. Dit model verklaart succesvol hoe de kleinste bekende deeltjes met elkaar interageren, maar laat enkele van de grootste vragen in het kosmos onbeantwoord. Het kan niet verklaren wat donkere materie is, waarom er meer materie is dan antimaterie, of hoe deeltjes hun massa verkrijgen op een manier die natuurlijk aanvoelt. Om deze hiaten op te vullen, hebben wetenschappers de existentie van nieuwe, verborgen deeltjes voorgesteld. Veel van deze theoretische deeltjes worden voorspeld "langlevend" te zijn, wat betekent dat ze niet het moment van hun creatie direct verdwijnen. In plaats daarvan reizen ze een meetbare afstand weg van het punt van hun creatie voordat ze vervallen in gewone materie. Het vinden van deze ongrijpbare reizigers zou een monumentale ontdekking zijn, die een direct venster biedt op de natuurkunde die buiten ons huidige begrip ligt.

Bij de Large Hadron Collider, een enorme deeltjesversneller die begraven ligt onder de grens van Frankrijk en Zwitserland, laten wetenschappers protonen tegen bijna de snelheid van het licht op elkaar botsen om de omstandigheden van het vroege universum te recreëren. Het ATLAS-experiment, een van de gigantische detectoren rondom het botsingspunt, fungeert als een hogesnelheidscamera die het puin van deze botsingen vastlegt. In een recente studie richtte de ATLAS-collaboratie haar aandacht op een zeer specifieke en ongewone handtekening: een enkel punt van verval dat zich ver weg van de botsingsplaats bevindt, diep in de buitenste lagen van de detector. Terwijl de meeste deeltjes onmiddellijk vervallen of een duidelijk spoor achterlaten, zouden deze hypothetische langlevende deeltjes meters, soms zelfs tientallen meters, afleggen voordat ze plotseling uiteenspatten in een spray van gewone deeltjes. De onderzoekers zochten naar een "displaced vertex" (verplaatst vertex), een term voor een botsingspunt dat verschijnt op een plek waar eigenlijk geen botsing heeft plaatsgevonden, wat signaleert dat een verborgen deeltje daar eerst naartoe is gereisd.

Het team analyseerde een enorme hoeveelheid gegevens verzameld tussen 2015 en 2018, overeenkomend met 140 eenheden van botsingsintensiteit. Ze richtten hun zoektocht op de muon-spectrometer, de buitenste schil van de ATLAS-detector, die zich tussen drie en veertien meter van het centrum bevindt. Deze regio is doorgaans gereserveerd voor het opvangen van muonen, een type deeltje dat diep in materie kan doordringen. Echter, als een langlevend deeltje daar vervalt, zou het een cluster van sporen creëren die lijken op een kleine explosie die plaatsvindt in de lege ruimte. Om deze zeldzame gebeurtenissen te vinden, ontwikkelden de wetenschappers gespecialiseerde computeralgoritmen die in staat zijn om deze verre, geïsoleerde uitbarstingen van activiteit te reconstrueren, waarbij ze de overweldigende ruis van gewone deeltjesbotsingen die veel dichter bij het centrum plaatsvinden, wegfilteren.

De zoektocht was ontworpen om verschillende theorieën te testen over wat deze verborgen deeltjes zouden kunnen zijn. Sommige theorieën suggereren dat ze gerelateerd zijn aan het Higgs-boson, het deeltje dat in 2012 werd ontdekt en dat andere deeltjes massa geeft. Andere stellen voor dat ze verbonden zijn met de onbalans tussen materie en antimaterie in het universum, of dat ze een type "axion-achtig deeltje" zijn dat zeer zwak interageert met licht. De onderzoekers keken ook naar scenario's waarin deze deeltjes worden geproduceerd naast een bekend deeltje genaamd een Z-boson. Door een breed net uit te werpen over deze verschillende mogelijkheden, kon het team bepalen of een van deze theoretische modellen overeenkomt met de realiteit van hun gegevens.

Na het doorzoeken van de miljoenen geregistreerde gebeurtenissen, vonden de onderzoekers geen bewijs voor deze langlevende deeltjes. Het aantal gebeurtenissen dat zij observeerden in de buitenste detector kwam exact overeen met wat zij verwachtten te zien van bekende achtergrondprocessen, zoals gewone deeltjes die door de binnenste lagen van de detector heen dringen en een verafgelegen verval nabootsen. Omdat er geen nieuw signaal verscheen, was het team in staat om strikte limieten te stellen aan het bestaan van deze deeltjes. Zij bepaalden dat als deze deeltjes wel bestaan, ze niet geproduceerd kunnen worden met de snelheden die door veel populaire theorieën worden voorspeld. Specifiek voor modellen die betrokken zijn bij het Higgs-boson, sloten zij de mogelijkheid uit dat het Higgs-boson vaker dan één procent van de tijd vervalt in deze langlevende deeltjes, voor deeltjes die ergens tussen vijf centimeter en veertig meter reizen voordat ze vervallen.

Voor de modellen die betrokken zijn bij axion-achtige deeltjes, leverde deze zoektocht de sterkste beperkingen tot nu toe op voor deeltjes die meer dan enkele tientallen centimeters afleggen. De studie combineerde ook haar resultaten met een eerdere zoektocht die zocht naar twee dergelijke vervallen in plaats van één, waardoor de gevoeligheid voor nog langere levensduur werd uitgebreid. Hoewel de zoektocht niet de nieuwe deeltjes vond waar zij naar op zoek waren, is het resultaat een belangrijke stap voorwaarts in de zoektocht naar het begrijpen van het universum. Door deze specifieke mogelijkheden uit te sluiten, hebben de wetenschappers het pad voor toekomstige ontdekkingen versmald, waarbij zij theoretici precies vertellen waar zij niet hoeven te zoeken en de volgende generatie experimenten richting de resterende, onverkende hoeken van de natuurkunde leiden.