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

宇宙建立在一套物理学家花费了一个世纪去解码的规则之上，这一框架被称为标准模型。该模型成功解释了已知最微小的粒子是如何相互作用的，但它也留下了关于宇宙的一些最大问题的悬而未决。它无法解释暗物质是什么，为什么物质比反物质更多，或者粒子是如何以一种自然的方式获得质量的。为了填补这些空白，科学家们提出了存在新的、隐藏粒子的假设。许多这类理论上的粒子被预测是“长寿命”的，这意味着它们不会在被创造出的瞬间就消失。相反，它们会在衰变为普通物质之前，从其产生的点向外移动一段可测量的距离。发现这些难以捉摸的旅行者将是一项里程碑式的发现，它将为窥探超越我们当前理解的物理学提供一个直接的窗口。

在位于法国和瑞士边界地下的巨型粒子加速器——大型强子对撞机中，科学家们将质子以接近光速的速度碰撞在一起，以重现早期宇宙的条件。ATLAS实验是围绕碰撞点的一个巨型探测器之一，它扮演着捕捉这些碰撞碎片的超高速摄像机的角色。在最近的一项研究中，ATLAS合作组将注意力转向了一个非常特定且不寻嘱的特征：一个发生在远离碰撞现场、位于探测器外层深处的单一衰变点。虽然大多数粒子会立即衰变或留下清晰的轨迹，但这些假设中的长寿命粒子会旅行数米，有时甚至是数十米，然后突然爆发成一簇普通的粒子流。研究人员正在寻找一种“位移顶点”，这是指一个出现在实际上并未发生碰撞之处的碰撞点，预示着有一个隐藏粒子先期旅行到了那里。

团队分析了2015年至2018年间收集的大量数据，对应于140个碰撞强度单位。他们将搜索重点放在缪子光谱仪上，这是ATLAS探测器的最外层壳体，位于距离碰撞中心三到十四米处。该区域通常用于捕捉缪子，这是一种可以穿透深层物质的粒子。然而，如果一个长寿命粒子在那里衰变，它会产生一簇看起来像是发生在真空中的微型爆炸的轨迹。为了寻找这些罕见的事件，科学家们开发了专门的计算机算法，能够重建这些遥远的、孤立的活动爆发，并过滤掉来自中心位置更近处的普通粒子碰撞所产生的压倒性噪声。

这项搜索旨在测试关于这些隐藏粒子可能是什么的几种不同理论。一些理论认为它们与希格斯玻色子有关，即2012年发现的赋予其他粒子质量的粒子。另一些理论则提出它们与宇宙中物质和反物质之间的不平衡有关，或者它们是一种与光相互作用非常微弱的“类轴子粒子”。研究人员还寻找了这些粒子与一种被称为Z玻色子的已知粒子共同产生的场景。通过在这些不同的可能性之间撒下一张大网，团队可以确定这些理论模型中的任何一个是否与其实际数据相匹配。

在筛选了数百万个记录事件后，研究人员没有发现这些长寿命粒子的证据。他们在探测器外层观察到的事件数量，与他们预期的来自已知背景过程（例如普通粒子穿透探测器内层并模拟远程衰变）的情况完全一致。由于没有出现新的信号，团队得以对这些粒子的存在设定严格的限制。他们确定，如果这些粒子确实存在，其产生速率不会达到许多流行理论所预测的水平。具体而言，对于涉及希格斯玻色子的模型，他们排除了希格斯以超过1%的概率衰变为这些长寿命粒子的可能性，其中粒子在衰变前旅行的距离在5厘米到40米之间。

对于涉及类轴子粒子的模型，这次搜索为旅行距离超过几十厘米的粒子提供了迄今为止最强的约束。该研究还将结果与之前寻找两个此类衰变而非一个的搜索相结合，从而扩展了对更长寿命的敏感度。虽然这次搜索没有找到它们正在搜寻的新粒子，但这一结果是理解宇宙追求过程中的重要一步。通过排除这些特定的可能性，科学家们缩小了未来发现的路径，告诉理论家们确切的无需寻找之处，并引导下一代实验走向剩余的、尚未被探索的物理学角落。