Recherche de nouvelles particules de lumière au LHC

Cet article parle d'une recherche de particules légères qui pourraient se désintégrer en deux Jets, produites avec soit un photon à haute énergie, soit un autre jet. Cette recherche a eu lieu au détecteur ATLAS, qui fait partie du Grand collisionneur de hadrons (LHC), où des protons sont écrasés ensemble à des niveaux d'énergie très élevés, spécifiquement 13 TeV. L'accent est mis sur les données collectées de 2015 à 2018.

#De quoi parlait la recherche ?

L'objectif principal était de trouver des signaux inhabituels dans la distribution de masse des jets. Les scientifiques pensent qu'il pourrait y avoir de nouveaux types de particules qui se désintègrent en jets, et celles-ci apparaîtraient comme un pic dans les données mesurées. La recherche examine deux cas :

1. Photon comme radiation en état initial : Ici, la particule entrante est un photon.
2. Jet comme radiation en état initial : Dans ce cas, la particule entrante est un autre jet.

Dans ces deux cas, ils ont examiné à la fois des scénarios où il n'y a pas d'exigences spécifiques sur les types de jets et où les deux jets doivent être identifiés comme contenant un certain type de particule appelé hadron.

#Résultats des données

Malgré ces efforts, aucun excès ou déviation significative n'a été détecté au-delà des attentes établies par les modèles de physique existants. En conséquence, des limites supérieures ont été établies pour la probabilité de production de ces nouvelles particules. L'étude a effectivement étendu les limites sur les particules légères se désintégrant en jets, couvrant une plage de masse de 200 à 650 TeV.

#Contexte sur la physique des particules

Le modèle standard de la physique des particules est une théorie bien établie qui explique comment les particules connues interagissent. Cependant, il ne tient pas compte de tout ce qui est observé dans l'univers, comme la Matière noire. La matière noire est une substance mystérieuse qui n'interagit pas avec la lumière, la rendant invisible et détectable uniquement par ses effets gravitationnels.

Dans ce contexte, les scientifiques recherchent de nouveaux types de particules qui pourraient potentiellement être liés à la matière noire. Un des points d’attention est sur des particules appelées Bosons, qui pourraient servir d'intermédiaires dans ces interactions.

#Importance de la recherche de nouvelles particules

De nouvelles particules pourraient aider à expliquer les forces et les interactions non couvertes par le modèle standard. Les recherches actuelles au LHC ont déjà produit des contraintes significatives sur certains modèles. Cependant, certaines particules hypothétiques pourraient ne pas interagir avec toutes les particules connues, rendant leur détection plus difficile.

#Stratégies appliquées dans la recherche

Deux stratégies principales ont été appliquées dans cette recherche :

1. Enregistrement d'informations minimales : Cela implique de capturer plus de données que d'habitude à un seuil plus bas pour explorer des gammes de masse plus faibles.
2. Radiation en état initial (ISR) élevée : Ici, l'accent est mis sur les événements où un photon ou un jet recoit contre les jets créés par la désintégration des particules. Cette technique aide à accéder à des masses plus basses sans déclencher de biais dus aux critères de sélection habituels.

L'analyse impliquait différents canaux basés sur la radiation en état initial et le goût des produits de désintégration.

#Rôles des jets et des Photons

Les jets sont des flux de particules produites après des collisions de protons. La recherche de nouvelles particules tourne donc autour de l'analyse du comportement de ces jets. Identifier les bons jets est crucial, surtout dans les cas où les produits de désintégration sont étiquetés comme contenant certaines particules pour améliorer la détection des signaux.

#Canaux de photon

Dans les canaux de photon, les événements doivent avoir un photon déclenché avec certains paramètres. La recherche se concentre sur les deux jets principaux, leur asymétrie et comment ils se comportent par rapport aux événements de fond.

#Canaux de trijet

Dans les canaux de trijet, les événements doivent contenir au moins trois jets. Le défi est d'identifier quels jets correspondent à la désintégration de la particule hypothétique.

#Détecteur utilisé : ATLAS

Le détecteur ATLAS est un appareil complexe conçu pour capturer une large gamme d'interactions de particules. Il a plusieurs couches de différents détecteurs :

• Détecteur de suivi : Cela aide à retracer les trajectoires des particules chargées.
• Calorimètres : Ils mesurent l'énergie des particules.
• Spectromètre de muons : Cela identifie les muons, qui sont des parents lourds des électrons.

Ensemble, ces composants aident les scientifiques à recueillir des données sur les collisions à haute énergie de manière efficace.

#Collecte de données et simulation

L'analyse a utilisé à la fois des données réelles et des échantillons simulés pour améliorer l'exactitude. Ils se sont fortement appuyés sur des données issues de collisions de protons, avec une luminosité totale collectée durant la période désignée.

Des simulations de Monte Carlo ont été utilisées pour modéliser à la fois les événements de signal et de fond. Ces simulations ont fourni une estimation de ce à quoi pourrait ressembler un signal, permettant aux chercheurs de comparer les données réelles aux résultats attendus.

#Critères de sélection des événements

La sélection des événements incluait plusieurs exigences pour s'assurer que les données étaient pertinentes pour la recherche :

• Exigence de vertex primaire : Les événements doivent avoir un vertex primaire avec des caractéristiques spécifiques.
• Reconstruction de jets : Les jets sont reconstructés à l'aide d'un algorithme spécifique intégrant diverses mesures pour assurer l'exactitude.
• Reconstruction de photons : Les photons doivent satisfaire à des critères stricts d'énergie et d'isolement pour réduire le bruit de fond.

#Analyse des résultats

Une fois les événements sélectionnés et reconstruits, les scientifiques ajustent les données aux modèles pour extraire des informations significatives. Ils recherchent des excès localisés indiquant des signaux potentiels de nouvelles particules.

Une méthode importante utilisée s'appelle l'ajustement de vraisemblance, qui combine les estimations de fond et de signal pour extraire des informations sur de potentielles nouvelles particules.

#Incertitudes systémiques

Plusieurs incertitudes pourraient influencer les résultats, y compris :

• Mesures de luminosité : Toute erreur ici pourrait affecter la normalisation des résultats.
• Échelle d'énergie des jets : Les variations dans l'échelle d'énergie des jets pourraient modifier les calculs de masse.
• Identification des photons : Des erreurs dans la façon dont les photons sont identifiés peuvent mener à des interprétations erronées.

Ces incertitudes ont été évaluées systématiquement et incluses dans les modèles pour garantir la fiabilité.

#Conclusion

La recherche de résonances légères qui se désintègrent en jets en association avec des photons ou des jets n'a pas révélé de preuves significatives de nouvelles particules. Malgré cela, l'étude a fourni une image plus claire des limites sur de telles particules, aidant à façonner les directions de recherche futures en physique des particules. Le travail a également souligné la nécessité de poursuivre les investigations sur des modèles qui pourraient expliquer des phénomènes inconnus dans l'univers.

De futures expériences au LHC et au-delà pourraient éventuellement conduire à des découvertes qui défient ou élargissent notre compréhension actuelle de la physique des particules. La recherche de nouvelles particules reste une frontière vitale dans le domaine scientifique, avec le potentiel de déverrouiller de nombreux mystères de l'univers.