Recherche de particules à longue durée de vie à ATLAS

L'étude des Particules à longue durée de vie (LLP) est devenue un domaine important en physique des particules. Ces particules peuvent vivre beaucoup plus longtemps que les particules classiques avant de se désintégrer. La recherche de LLP est cruciale car elles peuvent aider les scientifiques à mieux comprendre les lois fondamentales de la nature, révélant potentiellement de nouvelles physiques au-delà de ce que nous savons actuellement.

Le Détecteur ATLAs au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN est l'un des outils principaux utilisés pour rechercher ces LLP. Dans cette recherche, on se concentre sur des LLP neutres qui se désintègrent en jets de particules, qui peuvent être détectés comme des jets déplacés dans le calorimètre ATLAS. Cette étude utilise des données de collisions proton-proton à haute énergie.

#Qu'est-ce que les particules à longue durée de vie ?

Les particules à longue durée de vie sont prédites par diverses théories en physique des particules. Elles peuvent apparaître dans des modèles qui visent à répondre à certaines des plus grandes questions en science, comme la nature de la matière noire ou le déséquilibre entre la matière et l'antimatière dans l'univers.

À cause de leurs propriétés uniques, les LLP peuvent avoir des modes de désintégration différents par rapport aux autres particules. Certains modèles prédisent que les LLP peuvent être produites lors de collisions de particules et peuvent se désintégrer en particules courantes comme les quarks ou les gluons. Détecter ces jets issus des LLP peut fournir des infos sur leurs propriétés et la physique sous-jacente.

#Le détecteur ATLAS

Le détecteur ATLAS est conçu pour observer et mesurer les produits de collisions de particules à haute énergie. Il a plein de composants, y compris un système de suivi, des calorimètres, et un détecteur de muons. Le système de suivi aide à retracer les chemins des particules chargées, tandis que les calorimètres mesurent l'énergie des particules électromagnétiques et hadroniques.

Les calorimètres ont des sections distinctes qui se spécialisent dans la mesure de différents types de particules. Pour cette recherche, l'accent est mis sur les calorimètres hadroniques, qui détectent les jets résultant de la désintégration de particules en hadrons.

#Collecte des données

Les données pour cette analyse ont été collectées entre 2015 et 2018. Le LHC a produit 140 fb⁻¹ de collisions, une mesure du total des données collectées. Ces données ont été utilisées pour chercher des LLP sous différentes conditions et potentiels modèles.

Lors de la collecte des données, certaines vérifications de qualité étaient en place pour s'assurer que des faisceaux stables étaient utilisés, et que toutes les parties du détecteur fonctionnaient correctement. Différents déclencheurs ont été utilisés pour capturer les événements qui pourraient mener à la détection des LLP.

#Canaux d'analyse

Cette étude examine trois canaux différents pour rechercher des LLP :

1. CalRatio + Deux Jets (CalR+2J) : Ce canal cherche des paires de LLP produites lors des collisions, l'une se désintégrant en un jet déplacé et l'autre produisant deux jets résolus.

2. CalRatio + Boson W (CalR+W) : Dans ce canal, les LLP sont produites avec un boson W, qui se désintègre ensuite en leptons.

3. CalRatio + Boson Z (CalR+Z) : Semblable au canal précédent, mais ici, les LLP sont produites avec un boson Z qui se désintègre en une paire de leptons.

Chacun de ces canaux a des caractéristiques spécifiques qui guident les critères de sélection des événements étudiés.

#Identification des jets déplacés

Les jets déplacés issus des désintégrations de LLP sont identifiés par des techniques spécifiques. Quand un LLP se désintègre, ses produits peuvent ne pas se rendre directement au détecteur, ce qui mène à des jets qui ont un temps d'arrivée retardé.

Un outil utilisé pour identifier ces jets est le "CalRatio", qui mesure l'énergie déposée dans les calorimètres hadroniques par rapport aux calorimètres électromagnétiques. Les jets issus des désintégrations de LLP montrent généralement une énergie plus faible dans la section électromagnétique à cause de leur nature.

#Estimation de fond

Dans les expériences de physique des particules, il est crucial de distinguer entre les événements signal (qui suggèrent la présence de LLP) et les événements de fond (qui proviennent des processus du modèle standard).

L'analyse utilise une méthode basée sur les données pour l'estimation du fond. Cela implique de catégoriser les événements selon leurs caractéristiques et d'utiliser des méthodes statistiques pour prédire combien d'événements de fond sont attendus.

#Incertitudes systématiques

Lors de la mesure et de l'estimation des fonds, les incertitudes sont prises en compte. Celles-ci peuvent provenir de divers facteurs, notamment de la manière dont le détecteur réagit aux particules, de la précision des simulations utilisées, et des variations dans les conditions des événements.

Les effets de ces incertitudes sont minimisés grâce à des étapes de calibrage et de validation soigneuses lors de l'analyse des données.

#Résultats

Les résultats de l'analyse montrent qu'aucun excès significatif d'événements n'a été observé dans aucun des canaux étudiés. Cela suggère que les LLP, si elles existent dans la plage considérée, n'apparaissent pas aussi souvent que certaines théories pourraient le prédire.

Des contraintes ont été imposées sur les sections de production de divers modèles de LLP. Par exemple, les fractions de désintégration de certains modèles se sont révélées inférieures à 1 %, indiquant que ces modèles sont moins probables compte tenu des données collectées.

#Conclusion

Cette recherche éclaire la recherche de particules à longue durée de vie à travers l'utilisation de détecteurs de particules avancés et de techniques d'analyse de données. Les résultats aident à affiner notre compréhension des théories potentielles en physique des particules et établissent de nouvelles limites sur leurs propriétés.

Alors que les investigations continuent, de nouvelles méthodes et ensembles de données peuvent encore améliorer la recherche de LLP, offrant plus de possibilités pour des découvertes révolutionnaires dans le domaine de la physique des particules. Comprendre ces particules insaisissables pourrait finalement mener à des insights significatifs sur la structure fondamentale de l'univers.