El grupo de investigación del profesor Matthias Schott del grupo de excelencia PRISMA+ de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) ha publicado los resultados de una extensa serie de mediciones realizadas en el detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el arXiv servidor de preimpresión. Los datos se registraron durante la segunda ejecución del LHC entre 2015 y 2018.
El objetivo del desafiante programa de medición experimental es buscar partículas similares a axiones que podrían producirse en ciertas desintegraciones de la partícula de Higgs y, como partículas novedosas, podrían explicar la desviación del momento magnético anómalo del muón determinado experimentalmente de su predicción teórica. .
El trabajo representa la prueba experimental de un modelo de axión desarrollado por el Prof. Dr. Matthias Neubert, físico teórico y portavoz de PRISMA+, y es, por tanto, un ejemplo ideal de la valiosa interacción entre teoría y experimentación en la sede de Mainz.
Los axiones son partículas elementales hipotéticas que se postularon inicialmente para resolver una deficiencia teórica de la interacción fuerte, el llamado problema CP fuerte. Durante muchos años, los axiones o partículas similares a axiones (ALP) también se han considerado candidatos prometedores para la materia oscura.
"En este contexto, los físicos han desarrollado numerosos experimentos para buscar especialmente ALP muy ligeras", explica Schott. "Por primera vez hemos propuesto e implementado un programa de investigación detallado en el experimento ATLAS del LHC, con el que buscamos específicamente ALP relativamente pesados; estos a su vez podrían explicar el enigma del momento magnético anómalo del muón, como Matthias Neubert lo mostró en un modelo desarrollado hace unos años."
Junto con Martin Bauer y Andrea Thamm, Neubert postuló en 2017 que ATLAS podría usarse para buscar una gama muy amplia de masas de axiones adecuadas con una sensibilidad muy alta. Para Schott, este fue el punto de partida para la exitosa solicitud de la subvención del ERC. "He probado una gran parte del espacio de parámetros del modelo de Neubert con mi grupo como parte de esta subvención del ERC y estamos muy contentos de poder publicar los primeros resultados."
Neubert, por su parte, ha aclarado desde entonces el efecto esperado de las FA sobre el impulso de los muones en un artículo reciente publicado en el Journal of High Energy Physics. con Ana Galda.
La serie de mediciones se basa en la idea de que los ALP potenciales deben acoplarse tanto al muón como a los fotones para explicar la anomalía en el momento magnético del muón. En concreto, los investigadores investigaron una cadena de desintegración teóricamente postulada en la que una partícula de Higgs primero se desintegra en dos ALP, y estos a su vez en dos fotones cada uno (H à aa à 4ƴ). El objetivo era detectar el acoplamiento de las FA con los fotones de esta cadena.
"No encontramos ninguna señal llamativa que pudiera indicar las FA correspondientes", explica Schott. "Por lo tanto, en el área investigada podemos descartar con la mayor probabilidad el acoplamiento axión-fotón". Sin embargo, como el grupo de investigación pudo buscar por primera vez en un rango de parámetros muy amplio y fue seis órdenes de magnitud más sensible que las mediciones anteriores, especialmente en lo que respecta a la fuerza de acoplamiento, lograron establecer los límites de exclusión más estrictos hasta la fecha. para la masa y la fuerza de acoplamiento de los ALP.
Neubert afirma:"Lo especial de esta medición es que los ALP pueden detectarse potencialmente a través de la física de Higgs. Estamos en el rango de alta energía de la física de partículas y, por lo tanto, podemos rastrear la discrepancia en el momento anómalo del muón magnético mediante la conversión de alta energía". Se trata de un enfoque complementario a la medición directa de las propiedades del muón en el rango de baja energía como parte del experimento del muón g-2, que es precisamente lo que lo hace tan interesante."
El proceso de desintegración investigado por el grupo de Schott es experimentalmente muy desafiante, principalmente porque los fotones que se detectan en la desintegración de ALP no se producen en el punto de colisión del detector. "En las colisiones normales de partículas, las partículas siempre se encuentran exactamente en el medio del detector. Y cualquier partícula nueva que se cree en esta colisión, normalmente asumimos que su viaje comienza justo en el punto de colisión. Los algoritmos y calibraciones normales que tenemos son partiendo precisamente de esta hipótesis", explica Schott.
"Sin embargo, si se crean nuevas partículas que 'viven' lo suficiente, primero vuelan una corta distancia antes de desintegrarse. Esto significa que nuestra suposición original ya no es válida y tenemos que desarrollar enfoques completamente nuevos para poder ver también las partículas. en el detector que no se originan en el punto de colisión."
Específicamente, en el modelo de Neubert, la partícula de Higgs primero se desintegra en dos ALP inmediatamente en el punto de colisión de la partícula. Sin embargo, los ALP vuelan durante un tiempo antes de desintegrarse en dos fotones, por lo que estos fotones se producen lejos del punto de colisión. "A estos eventos los llamamos vértice desplazado, es decir, punto de colisión desplazado. Por primera vez hemos logrado realizar una medición de este tipo con fotones."
Además, existe otro desafío:si las FA son comparativamente ligeras, los fotones en los que se desintegran están muy juntos. El detector percibe los dos fotones como un solo fotón, a menos que haya un nuevo algoritmo entrenado para hacer precisamente eso:es decir, que pueda reconocer fotones que en realidad fueron reconstruidos como un fotón como dos fotones. "Pudimos desarrollar un algoritmo de este tipo utilizando inteligencia artificial en forma de redes neuronales y así resolver con éxito señales de fotones altamente colineales."
Pero hay más. Incluso con algoritmos especialmente desarrollados, con los que los investigadores pueden cubrir un área de búsqueda muy grande, no pueden "captar" todos los ALP a los que quieren apuntar. Para cerrar esta brecha también quieren utilizar el experimento FASER, que ahora ha entrado en funcionamiento en un túnel lateral del LHC a unos 480 metros detrás del experimento ATLAS.
Recientemente, la colaboración muon g-2 en Fermilab anunció un nuevo valor de medición del momento magnético anómalo que es dos veces más preciso que el anterior. El grupo de trabajo PRISMA+, dirigido por el Prof. Dr. Martin Fertl, es el único en Alemania que se ocupa de contribuciones experimentales. La contraparte es la iniciativa de la teoría del muón g-2, una asociación mundial de más de 130 físicos que se ocupa de las predicciones teóricas en el marco del modelo estándar.
También en este caso los grupos de trabajo de Mainz del Prof. Dr. Achim Denig, Prof. Dr. Harvey Meyer, Prof. Dr. Marc Vanderhaeghen y Prof. Dr. Hartmut Wittig hacen numerosas contribuciones importantes, desde la medición de variables de entrada experimentales hasta la Cálculo de alta precisión de las contribuciones de la interacción fuerte utilizando los métodos de cromodinámica cuántica reticular en el ordenador central MOGON-II de Maguncia.
Según los últimos cálculos, todavía no está claro si existe una verdadera discrepancia entre teoría y experimento y, en caso afirmativo, qué enfoques teóricos podrían utilizarse para explicarla. Sin embargo, demuestra una vez más la gran competencia del cluster PRISMA+ de Maguncia en la búsqueda de nueva física, y aquí en particular en la interacción entre teoría y experimento y el uso de métodos complementarios para responder a las grandes preguntas de la física moderna.
"Nuestro trabajo publicado hoy es una contribución importante en este sentido, aunque muestra que el espacio para modelos de nueva física que podemos probar experimentalmente es cada vez más pequeño", afirma Schott categorizando el resultado. "En lo que respecta a las FA, todavía son candidatos prometedores para la materia oscura, pero muy probablemente podemos descartarlos como causa de una discrepancia en el momento magnético del muón."
Más información: Busque partículas similares a axiones de vida corta y larga en desintegraciones H → aa → 4γ con el experimento ATLAS en el LHC, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.03306
Anne Mareike Galda et al, Interferencia ALP-IZQUIERDA y el muón (g − 2), Revista de Física de Altas Energías (2023). DOI:10.1007/JHEP11(2023)015. En arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.01338
Información de la revista: arXiv
Proporcionado por la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia
