La actualización de alta luminosidad del Gran Colisionador de Hadrones (HL-LHC) está programada para comenzar a colisionar protones en 2026. Esta importante mejora del acelerador insignia del CERN aumentará el número total de colisiones en el experimento ATLAS en un factor de 10. Para hacer frente con este aumento, ATLAS está preparando una compleja serie de actualizaciones que incluyen la instalación de nuevos detectores utilizando tecnología de punta, el reemplazo de la electrónica envejecida, y la actualización de su sistema de activación y adquisición de datos.

¿Qué oportunidades de descubrimiento estarán al alcance de ATLAS con la actualización HL-LHC? ¿Con qué precisión podrán los físicos medir las propiedades del bosón de Higgs? ¿Cuán profundamente serán capaces de sondear los procesos del Modelo Estándar en busca de signos de nueva física? La Colaboración ATLAS ha realizado y publicado decenas de estudios para responder a estas preguntas, cuyos resultados han sido una valiosa aportación a las discusiones. celebrada esta semana en el Simposio sobre la estrategia europea para la física de partículas, en granada, España.

"Estudiar el potencial de descubrimiento del HL-LHC fue una tarea fascinante asociada con las actualizaciones de ATLAS, "dice Simone Pagan Griso, Co-convocante del Grupo de Física de Actualización de ATLAS. "Los resultados son informativos no solo para ATLAS Collaboration sino para toda la comunidad mundial de física de partículas, a medida que vuelven a evaluar las oportunidades y los desafíos que tenemos por delante ". Estos estudios establecen importantes puntos de referencia para las generaciones venideras de experimentos de física de partículas.

Pagan Griso trabajó con Leandro Nisati, el representante de ATLAS en el comité directivo del "Informe amarillo" de potencial físico de HL-LHC, y co-convocante del ATLAS Upgrade Physics Group, Sarah Demers, coordinar estos estudios para la colaboración. "Un informe amarillo del CERN, con la publicación en su forma final próxima, combinará los resultados de ATLAS con los de otros experimentos del LHC, así como aportaciones de físicos teóricos, "dice Nisati.

Estimar el rendimiento de una máquina que aún no se ha construido. que operará en circunstancias que nunca se han enfrentado, fue una tarea compleja para el equipo de ATLAS. "Tomamos dos enfoques paralelos, "explica Demers". Para un conjunto de proyecciones de análisis, Comenzamos con simulaciones de las desafiantes condiciones experimentales del HL-LHC. Estos eventos físicos simulados luego se pasaron a través de un software personalizado para mostrarnos cómo las partículas interactuarían con un detector ATLAS actualizado. Luego, desarrollamos nuevos algoritmos para tratar de captar las señales físicas de la desafiante cantidad de eventos de fondo. "Tratar con un fondo abundante será una complicación común para el funcionamiento del HL-LHC.

Siguiendo este enfoque, el equipo descubrió que el conjunto de datos HL-LHC permitirá a ATLAS buscar nuevos bosones Z masivos (denominados Z ') tan pesados ​​como 6.5 TeV, y buscar nuevos bosones W 'de hasta 7,9 TeV de masa. "Este método fue útil porque nos enseñó sobre el alcance físico potencial del detector ATLAS actualizado, pero también tenía sus limitaciones, "dice Demers." Nuestra experiencia ha demostrado que, a medida que nos familiarizamos con el funcionamiento del detector y el acelerador, podemos mejorar nuestras técnicas de toma de datos y tener nuevas ideas para análisis físicos. ¡Es difícil cuantificar cuántas mejoras traerá una década de pensar y trabajar duro! "

El segundo enfoque utilizado en las proyecciones físicas del HL-LHC utilizó los mejores resultados físicos actuales de ATLAS. El equipo consideró qué componentes de los análisis se esperaba que mejoraran, degradar o permanecer igual bajo las nuevas condiciones HL-LHC. El rico panorama de la física del bosón de Higgs fue de gran importancia, ya que su estudio se encuentra entre los principales objetivos de la actualización HL-LHC. El gran conjunto de datos que se espera del HL-LHC será esencial para descubrir muchas de las incógnitas del bosón de Higgs.

"Utilizando los resultados físicos actuales de ATLAS, Proyectamos incertidumbres por debajo del 5% en las mediciones de las tasas de cinco tipos de desintegraciones del bosón de Higgs:para quarks b, a taus, a los bosones W, a los bosones Z y a los fotones, "dice Pagan Griso". Según estas proyecciones, también seremos muy sensibles a las raras desintegraciones del bosón de Higgs, como su desintegración a muones ".

Este segundo método se benefició de la completa sofisticación y optimización de los análisis actuales de ATLAS. Sin embargo, a diferencia del primer enfoque, no podía considerar directamente las mejoras que traerá el detector ATLAS actualizado. Tampoco puede estimar completamente cuánto más difícil será el análisis físico bajo las condiciones extremas del HL-LHC. Como tal, una combinación de los dos enfoques proporciona la mejor predicción posible del potencial físico de ATLAS en el HL-LHC.

En el transcurso de este estudio, ATLAS ha publicado más de 40 notas públicas que documentan los resultados de más de 80 canales de análisis. Estos resultados están todos disponibles públicamente e informarán las estrategias de priorización para los físicos de todo el mundo. "Estos estudios representan nuestra mejor comprensión del tremendo potencial físico que aguarda a ATLAS, ", concluye Demers." Es emocionante tener estas oportunidades por delante, a medida que continuamos aprendiendo del conjunto de datos actual del LHC y trabajamos para maximizar la información sobre nuestro Universo que ATLAS puede proporcionar ".