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

O universo está repleto de atores invisíveis. Embora o Modelo Padrão da física de partículas descreva com sucesso as partículas e forças conhecidas, ele deixa de fora a natureza da matéria escura e a razão pela qual o universo é feito de matéria em vez de antimatéria. Para preencher essas lacunas, os físicos propõem a existência de novas partículas, mais pesadas, que ainda não foram vistas. Entre os candidatos mais convincentes estão as partículas do tipo axion. Estas são partículas hipotéticas e fantasmagóricas que poderiam explicar a matéria escura e outros mistérios cósmicos. Espera-se que elas interajam de forma muito fraca com a matéria comum, mas podem ocasionalmente revelar-se ao se transformarem em pares de partículas leves chamadas fótons, ou ao interagir com os portadores pesados da força nuclear fraca, conhecidos como bósons W e Z. Se estas partículas existirem, elas deixarão para trás uma impressão digital única nos detritos de colisões de alta energia, distinta das impressões deixadas por partículas conhecidas como o bóson de Higgs.

No Grande Colisor de Hádrons, o acelerador de partículas mais poderoso do mundo, os cientistas colidem protões entre si a velocidades próximas da velocidade da luz para recriar as condições do universo primordial. Uma equipa de investigadores propôs agora uma nova forma de caçar estas partículas elusivas do tipo axion utilizando o próximo High-Luminosity LHC, uma versão atualizada da máquina que operará a uma energia de centro de massa de 14 tera-eletrão-volts com uma luminosidade integrada de 3 inverso attobarns. A sua estratégia foca-se num cenário específico: uma colisão de protões que produz uma partícula do tipo axion juntamente com um bóson W ou Z. A partícula do tipo axion decairia então em dois fótons, enquanto o bóson W ou Z acompanhante decairia num lépton carregado, como um eletrão ou múon, e possivelmente um neutrino. Os investigadores simularam biliões destes eventos para ver se o comportamento único da partícula do tipo axion poderia ser distinguido do ruído avassalador dos processos conhecidos do Modelo Padrão.

A chave para esta busca reside na forma como a partícula do tipo axion interage com o bóson W ou Z. Ao contrário do bóson de Higgs, que interage com estes portadores de força de uma forma direta e não derivativa, a partícula do tipo axion interage através de um mecanismo mais complexo e dependente do momento. Esta diferença na física subjacente dita como as partículas se afastam após a colisão. Especificamente, a partícula do tipo axion força o bóson W ou Z acompanhante a girar numa direção muito específica, conhecida como polarização transversal, e a recuar com um momento significativamente mais elevado do que um bóson de Higgs faria. Os investigadores perceberam que, ao medir o ângulo em que os produtos de decaimento do bóson W ou Z emergem e ao rastrear o quão forte o bóson é repelido, poderiam separar o sinal de uma nova partícula do ruído da física conhecida.

Para testar esta ideia, a equipa realizou simulações computacionais detalhadas das colisões, modelando o comportamento do detetor e as complexas interações das partículas. Focaram-se num intervalo de massa para a partícula do tipo axion entre 20 e 200 gigaeletrão-volts. Descobriram que, ao selecionar eventos onde os dois fótons e o lépton carregado possuíam características específicas de energia e ângulo, poderiam suprimir o ruído de fundo. A ferramenta mais poderosa do seu arsenal foi o "recuo" do bóson W ou Z. Como a interação da partícula do tipo axion empurra o bóson com mais força, eventos com um bóson muito energético eram muito mais propensos a ser um sinal do que ruído de fundo. Adicionalmente, o ângulo do lépton carregado em relação à direção do voo do bóson revelava o estado de spin do bóson. No caso de uma partícula do tipo axion, o bóson era quase exclusivamente polarizado transversalmente, enquanto uma partícula do tipo Higgs produziria uma mistura de estados de spin, incluindo um componente longitudinal significativo.

Os investigadores combinaram estas observações utilizando um algoritmo de aprendizagem automática sofisticado chamado XGBoost, que é concebido para encontrar padrões complexos em grandes conjuntos de dados. Treinaram o algoritmo para distinguir o sinal simulado do tipo axion dos vários processos de fundo, tais como a produção de um bóson W ou Z com dois fótons a partir de processos quânticos padrão. Os resultados foram promissores. Mesmo sem depender da massa do par de fotões para identificar a partícula, o algoritmo conseguiu separar o sinal do fundo com alta eficiência. Quando incluíram a informação da massa, a separação tornou-se ainda mais nítida. Para um cenário de referência onde a partícula do tipo axion tem uma massa de 100 gigaeletrão-volts, o estudo sugere que o High-Luminosity LHC poderá detetar estas partículas se o seu acoplamento ao bóson W for superior a aproximadamente 5,6 vezes 10 à potência de menos 3 inverso tera-eletrão-volts. Isto representa uma melhoria significativa em relação aos limites atuais, abrindo potencialmente uma nova janela para a física do universo primordial.

Talvez o mais importante seja que o estudo demonstrou que estas técnicas poderiam fazer mais do que apenas encontrar uma nova partícula; poderiam também ajudar a identificar o que essa partícula é. Se um pico nos dados aparecesse, poderia ser causado por uma partícula do tipo axion ou por uma partícula escalar do tipo Higgs de mesma massa. Os investigadores mostraram que, ao analisar a polarização e o recuo do bóson acompanhante, poderiam distinguir entre as duas. A partícula do tipo axion deixaria uma assinatura distinta de polarização transversal e alto recuo, enquanto a partícula do tipo Higgs mostraria um padrão diferente. Isto significa que, se uma nova ressonância for descoberta, os mesmos dados usados para a encontrar poderiam ser usados para compreender a sua natureza fundamental, distinguindo entre diferentes teorias de nova física.

O trabalho destaca que o bóson de gauge acompanhante não é apenas uma etiqueta para marcar um evento, mas sim uma ferramenta de diagnóstico que codifica os detalhes da interação. Embora os investigadores tenham observado que os cortes experimentais e as limitações do detetor podem desfocar estas características subtis, as suas simulações mostram que a física subjacente é robusta o suficiente para ser detetada. Concluíram que, ao explorar as propriedades cinemáticas e de polarização únicas da produção associada, o High-Luminosity LHC será capaz de sondar a existência de partículas do tipo axion com uma sensibilidade sem precedentes, potencialmente revelando uma nova camada da realidade escondida dentro das colisões de protões.