A medida que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) aplasta protones a una energía de centro de masa de 13 TeV, crea una rica variedad de partículas que se identifican mediante la firma de sus interacciones con el detector ATLAS. Pero, ¿qué pasa si el colisionador produce partículas que viajan a través de ATLAS sin interactuar? Estas "partículas invisibles" pueden proporcionar las respuestas a algunos de los mayores misterios de la física.

Un ejemplo es la materia oscura, que parece constituir el 85 por ciento de la masa del universo, pero aún no se ha identificado de manera concluyente. Los científicos infieren su existencia a través de observaciones astrofísicas, incluyendo formación de galaxias y lentes gravitacionales. Sin embargo, saben más sobre lo que no es que sobre lo que es. No existe una teoría única de la materia oscura; diferentes predicciones tienen diferentes implicaciones para sus propiedades y cómo interactúa.

Las partículas invisibles producidas en las colisiones del LHC llevan energía, resultando en un aparente desequilibrio en la energía / momentos de las partículas visibles observadas. Las teorías predicen que si las partículas invisibles existen, El Experimento ATLAS podría detectar más eventos con un gran desequilibrio y otros patrones distintivos de partículas visibles. Comparar el número de tales eventos predichos por la teoría con el número de eventos observados en el detector es una forma de buscar partículas invisibles indirectamente.

Si bien ha demostrado ser un enfoque exitoso, hay limitaciones. ¿Qué pasa si los modelos teóricos de la materia oscura están equivocados? ¿Qué pasa si un fenómeno completamente diferente es la causa de las partículas invisibles? En la actualidad, cuando se demuestra que los modelos teóricos son incorrectos, reutilizar los datos para probar nuevos modelos puede resultar difícil y llevar mucho tiempo. Para hacerlo, es necesario comprender cómo se registraron estas partículas en los detectores, cómo se seleccionaron los eventos, y cómo se modelaron los procesos del Modelo Estándar que imitan estos patrones de partículas.

Los físicos de ATLAS han desarrollado un nuevo enfoque basado en mediciones, que está diseñado para ser independiente del detector y permite una fácil reinterpretación de los datos en el futuro. En este enfoque, una cantidad R ^pierda se define, que es sensible a la tasa de producción y las propiedades de cualquier partícula invisible. Esta cantidad se mide en función de varias propiedades de los eventos de colisión, incluyendo la cantidad de desequilibrio de momento y la energía / momento de las partículas visibles. Se encuentra que el valor de esta cantidad, junto con los cambios en estas propiedades medidas, proporciona sensibilidad a las partículas invisibles. Las desintegraciones conocidas de los bosones Z producidos en las colisiones del LHC en neutrinos invisibles significan que esta cantidad no es cero, incluso en ausencia de un nuevo fenómeno invisible. Esta cantidad se corrige cuidadosamente para detectar ineficiencias, dejando una medición libre de sesgos experimentales e independiente de cualquier nueva hipótesis física (Figura 1). Cualquier físico puede comparar fácilmente las predicciones de su modelo con esta medida.

Para demostrar el nuevo enfoque, la medición se utiliza para probar tres modelos teóricos claramente diferentes de materia oscura, donde se produce (1) a través de la fuerza fuerte, (2) a través de la desintegración de los bosones de Higgs, o (3) a través de la fuerza electrodébil. No se observa evidencia de materia oscura, por lo que ATLAS puede imponer estrictas restricciones a estas teorías (Figura 2). Las limitaciones son competitivas con los enfoques existentes que tienen como objetivo probar estas teorías específicas y son complementarias a las mediciones de los experimentos de detección indirecta basados ​​en el espacio.