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

O universo é construído sobre um conjunto de regras que os físicos passaram um século decodificando, uma estrutura conhecida como Modelo Padrão. Este modelo explica com sucesso como as menores partículas conhecidas interagem, mas deixa algumas das maiores questões do cosmos sem resposta. Ele não consegue explicar o que é a matéria escura, por que existe mais matéria do que antimatéria, ou como as partículas adquirem sua massa de uma forma que pareça natural. Para preencher essas lacunas, os cientistas propuseram a existência de novas partículas ocultas. Muitas dessas partículas teóricas são previstas como sendo "de vida longa", o que significa que elas não desaparecem no instante em que são criadas. Em vez disso, elas viajam uma distância mensurável para longe do ponto de sua criação antes de decairem em matéria comum. Encontrar esses viajantes elusivos seria uma descoberta monumental, oferecendo uma janela direta para a física que reside além do nosso entendimento atual.

No Grande Colisor de Hádrons, um enorme acelerador de partículas enterrado sob a fronteira entre a França e a Suíça, os cientistas colidem prótons entre si a quase a velocidade da luz para recriar as condições do universo primordial. O experimento ATLAS, um dos gigantescos detectores que cercam o ponto de colisão, atua como uma câmera de alta velocidade capturando os detritos dessas colisões. Em um estudo recente, a colaboração ATLAS voltou sua atenção para uma assinatura muito específica e incomum: um único ponto de decaimento ocorrendo longe do local da colisão, profundamente nas camadas externas do detector. Enquanto a maioria das partículas decai imediatamente ou deixa um rastro claro, essas hipotéticas partículas de vida longa viajariam metros, às vezes até dezenes de metros, antes de subitamente explodirem em um spray de partículas comuns. Os pesquisadores estavam procurando por um "vértice deslocado", um termo para um ponto de colisão que aparece em um lugar onde nenhuma colisão realmente aconteceu, sinalizando que uma partícula oculta havia viajado até lá primeiro.

A equipe analisou uma vasta quantidade de dados coletados entre 2015 e 2018, correspondentes a 140 unidades de intensidade de colisão. Eles focaram sua busca no espectrômetro de múons, a camada mais externa do detector ATLAS, que se encontra entre três e quatorze metros de distância do centro da colisão. Esta região é tipicamente reservada para capturar múons, um tipo de partícula que pode penetrar profundamente na matéria. No entanto, se uma partícula de vida longa decair ali, ela criaria um aglomerado de trilhas que pareceriam uma pequena explosão ocorrendo no espaço vazio. Para encontrar esses eventos raros, os cientistas desenvolveram algoritmos de computador especializados, capazes de reconstruir esses surtos distantes e isolados de atividade, filtrando o ruído esmagador de colisões de partículas comuns que acontecem muito mais perto do centro.

A busca foi desenhada para testar diversas teorias diferentes sobre o que essas partículas ocultas poderiam ser. Algumas teorias sugerem que elas estão relacionadas ao bóson de Higgs, a partícula descoberta em 2012 que confere massa a outras partículas. Outras propõem que elas estão ligadas ao desequilíbrio entre matéria e antimatéria no universo, ou que são um tipo de "partícula do tipo axion" que interage de forma muito fraca com a luz. Os pesquisadores também buscaram cenários onde essas partículas são produzidas ao lado de uma partícula conhecida chamada bóson Z. Ao lançar uma rede ampla através dessas diferentes possibilidades, a equipe poderia determinar se algum desses modelos teóricos correspondia à realidade de seus dados.

Após filtrar os milhões de eventos registrados, os pesquisadores não encontraram evidências dessas partículas de vida longa. O número de eventos que observaram no detector externo coincidiu exatamente com o que esperavam ver de processos de fundo conhecidos, como partículas comuns atravessando as camadas internas do detector e mimetizando um decaimento distante. Como nenhum novo sinal apareceu, a equipe foi capaz de estabelecer limites estritos sobre a existência dessas partículas. Eles determinaram que, se essas partículas existem, elas não podem ser produzidas nas taxas previstas por muitas teorias populares. Especificamente, para modelos envolvendo o bóson de Higgs, eles descartaram a possibilidade de o Higgs decair nessas partículas de vida longa em mais de um por cento das vezes, para partículas que viajam de cinco centímetros a quarenta metros antes de decair.

Para os modelos envolvendo partículas do tipo axion, esta busca produziu as restrições mais fortes até o momento para partículas que viajam mais de algumas dezenas de centímetros. O estudo também combinou seus resultados com uma busca anterior que procurava por dois desses decaimentos em vez de um, estendendo a sensibilidade para tempos de vida ainda mais longos. Embora a busca não tenha encontrado as novas partículas que caçava, o resultado é um passo significativo à frente na busca para compreender o universo. Ao eliminar essas possibilidades específicas, os cientistas estreitaram o caminho para descobertas futuras, dizendo aos teóricos exatamente onde eles não precisam procurar e guiando a próxima geração de experimentos em direção aos cantos restantes e inexplorados da física.