Figura 1:Un evento monojet registrado por el experimento ATLAS en 2017, con un solo chorro de 1.9 TeV de momento transversal retrocediendo contra el correspondiente momento transversal faltante (MET). Las barras verdes y amarillas muestran los depósitos de energía en los calorímetros electromagnéticos y hadrónicos, respectivamente. El MET se muestra como la línea roja discontinua en el lado opuesto del detector. Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
La naturaleza de la materia oscura sigue siendo uno de los grandes enigmas sin resolver de la física fundamental. Sin explicación del modelo estándar, la materia oscura ha llevado a los científicos a investigar nuevos modelos físicos para comprender su existencia. Muchos de estos escenarios teóricos postulan que podrían producirse partículas de materia oscura en las intensas colisiones protón-protón de alta energía del LHC. Mientras que la materia oscura escaparía del experimento ATLAS en el CERN sin ser vista, ocasionalmente podría ir acompañado de un chorro visible de partículas irradiadas desde el punto de interacción, proporcionando así una señal detectable.
La Colaboración ATLAS se propuso encontrar precisamente eso, lanzando una nueva búsqueda de fenómenos novedosos en eventos de colisión con chorros y alto momento transversal perdido (MET). La búsqueda fue diseñada para descubrir eventos que podrían indicar la existencia de procesos físicos que se encuentran fuera del Modelo Estándar y, al hacerlo, abre una ventana al cosmos.
Para identificar tales eventos, Los físicos explotaron el principio de conservación del momento en el plano detector transversal, es decir, perpendicular a la dirección del rayo, buscando chorros visibles que retrocedan ante algo invisible. Como los eventos con jets son comunes en el LHC, Los físicos refinaron aún más sus parámetros:los eventos debían tener al menos un chorro de alta energía y MET significativo, generado por el desequilibrio de impulso de las partículas "invisibles". Esto se conoce como un evento monojet, un ejemplo espectacular del cual se puede ver en la Figura 1, una exhibición de eventos de 2017 que presenta el monojet de mayor impulso (1.9 TeV) registrado hasta ahora por ATLAS.
Una plétora de fenómenos exóticos, no detectable directamente por experimentos de colisionadores, también podría haber producido esta característica firma monojet. Los físicos de ATLAS se propusieron así hacer que su estudio incluyera varios modelos físicos nuevos, incluidos los que presentan supersimetría, energía oscura, grandes dimensiones espaciales extra, o partículas similares a axiones.
Figura 2:Distribución del momento transversal faltante después de la selección del monojet en los datos y en las predicciones del modelo estándar. Los diferentes procesos de fondo se muestran con colores. Las distribuciones esperadas de energía oscura, Los escenarios de partículas masivas supersimétricas y de interacción débil se ilustran con líneas discontinuas. Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
La evidencia de nuevos fenómenos se vería en un exceso de eventos de colisión con MET grandes en comparación con la expectativa del Modelo Estándar. Predecir con precisión las diferentes contribuciones de fondo fue un desafío clave, ya que varios procesos abundantes del modelo estándar podrían imitar exactamente la topología de la señal, como la producción de un jet más un bosón Z, que luego se descompone en dos neutrinos que también abandonan ATLAS sin ser detectados directamente.
Los físicos utilizaron una combinación de técnicas basadas en datos y cálculos teóricos de alta precisión para estimar los antecedentes del Modelo Estándar. La incertidumbre de fondo total en la región de la señal varía de aproximadamente el 1% al 4% en el rango de MET entre 200 GeV y 1.2 TeV. La forma del espectro MET se utilizó para mejorar el poder de discriminación entre señales y fondos, aumentando así el potencial de descubrimiento. La Figura 2 muestra una comparación del espectro MET observado en todo el conjunto de datos recopilados del experimento ATLAS durante la Ejecución 2 (2015-2018), y la expectativa del Modelo Estándar.
Como no se observó un exceso significativo, Los físicos utilizaron el nivel de acuerdo entre los datos y la predicción para establecer límites a los parámetros de los nuevos modelos físicos. En el contexto de partículas masivas que interactúan débilmente (un candidato popular de materia oscura), Los físicos de ATLAS pudieron excluir masas de partículas de materia oscura de hasta aproximadamente 500 GeV y mediadores de interacción de vectores axiales de hasta 2 TeV, ambos al nivel de confianza del 95%. Estos resultados proporcionan los límites de materia oscura más estrictos en los experimentos de colisionadores hasta ahora. y un hito del programa de búsqueda ATLAS.
