Cercando Particelle a Lunga Vita all'ATLAS

Lo studio delle particelle a lunga vita (LLPs) è diventato un'area importante nella fisica delle particelle. Queste particelle possono vivere molto più a lungo rispetto a quelle tipiche prima di decadere. La ricerca di LLPs è cruciale perché possono aiutare gli scienziati a comprendere meglio le leggi fondamentali della natura, rivelando potenzialmente nuova fisica al di là di ciò che conosciamo attualmente.

Il Rivelatore ATLAs al Grande Collider di Hadroni (LHC) del CERN è uno dei principali strumenti utilizzati per cercare queste LLPs. In questa ricerca, ci concentriamo sulle LLPs neutre che decadono in getti di particelle, che possono essere rilevati come getti spostati nel calorimetro ATLAS. Questo studio utilizza dati da collisioni protoni-protoni ad alte energie.

#Cosa Sono le Particelle a Lunga Vita?

Le particelle a lunga vita sono previste da varie teorie nella fisica delle particelle. Possono apparire in modelli che cercano di affrontare alcune delle domande più grandi nella scienza, come la natura della materia oscura o lo squilibrio tra materia e antimateria nell'universo.

Grazie alle loro proprietà uniche, le LLPs possono avere schemi di decadimento diversi rispetto ad altre particelle. Alcuni modelli prevedono che le LLPs possano essere prodotte in collisioni di particelle e decadere in particelle comuni come quark o gluoni. Rilevare questi getti da LLPs può fornire informazioni sulle loro proprietà e sulla fisica sottostante.

#Il Rivelatore ATLAS

Il rivelatore ATLAS è progettato per osservare e misurare i prodotti delle collisioni di particelle ad alta energia. Ha molti componenti, inclusi un sistema di tracciamento, calorimetri e un rivelatore di muoni. Il sistema di tracciamento aiuta a tracciare i percorsi delle particelle cariche, mentre i calorimetri misurano l'energia sia delle particelle elettromagnetiche che di quelle adroniche.

I calorimetri hanno sezioni distinte che si specializzano nella misurazione di diversi tipi di particelle. Per questa ricerca, l'attenzione è sui calorimetri adronici, che rilevano i getti risultanti dal decadimento delle particelle in adroni.

#Raccolta Dati

I dati per questa analisi sono stati raccolti tra il 2015 e il 2018. L'LHC ha prodotto 140 fb⁻¹ di collisioni, una misura del totale dei dati raccolti. Questi dati sono stati utilizzati per cercare LLPs sotto varie condizioni e modelli potenziali.

Durante la raccolta dei dati, erano in atto controlli di qualità per garantire che venissero utilizzati fasci stabili e che tutte le parti del rivelatore funzionassero correttamente. Sono stati utilizzati diversi trigger per catturare gli eventi che potrebbero portare al rilevamento di LLP.

#Canali di Analisi

Questo studio esamina tre canali diversi per cercare LLPs:

1. CalRatio + Due Jet (CalR+2J): Questo canale cerca coppie di LLPs prodotte in collisioni, una decadendo in un singolo getto spostato e l'altra producendo due getti risolti.

2. CalRatio + Bosone W (CalR+W): In questo canale, le LLPs vengono prodotte insieme a un bosone W, che poi decade in leptoni.

3. CalRatio + Bosone Z (CalR+Z): Simile al canale precedente, ma qui, le LLPs vengono prodotte con un bosone Z che decade in una coppia di leptoni.

Ognuno di questi canali ha caratteristiche specifiche che guidano i criteri di selezione per gli eventi studiati.

#Identificazione dei Getti Spostati

I getti spostati originati dai decadimenti di LLP vengono identificati tramite tecniche specifiche. Quando un LLP decade, i suoi prodotti potrebbero non viaggiare direttamente verso il rivelatore, portando a getti che hanno un tempo di arrivo ritardato.

Uno strumento utilizzato per identificare questi getti è il "CalRatio", che misura l'energia depositata nei calorimetri adronici rispetto a quelli elettromagnetici. I getti dai decadimenti di LLP mostrano tipicamente un'energia inferiore nella sezione elettromagnetica a causa della loro natura.

#Stima del Fondo

Negli esperimenti di fisica delle particelle, è cruciale distinguere tra eventi di segnale (che suggeriscono la presenza di LLPs) ed eventi di fondo (che derivano da processi del modello standard).

L'analisi utilizza un metodo basato sui dati per la stima del fondo. Questo implica la categorizzazione degli eventi in base alle loro caratteristiche e l'utilizzo di metodi statistici per prevedere quanti eventi di fondo ci si aspetta.

#Incertezze Sistematiche

Durante la misurazione e la stima dei fondi, si tengono in considerazione le incertezze. Queste possono derivare da vari fattori, inclusa la reazione del rivelatore alle particelle, l'accuratezza delle simulazioni utilizzate e le variazioni nelle condizioni degli eventi.

Gli effetti di queste incertezze sono minimizzati attraverso passaggi di calibrazione e convalida durante l'analisi dei dati.

#Risultati

I risultati dell'analisi mostrano che non è stato osservato alcun eccesso significativo di eventi in nessuno dei canali studiati. Questo suggerisce che le LLPs, se esistono entro l'intervallo considerato, non appaiono con la frequenza prevista da alcune teorie.

Sono stati posti vincoli sulle sezioni di produzione di vari modelli di LLP. Ad esempio, le frazioni di ramificazione di alcuni modelli sono risultate inferiori all'1%, indicando che questi modelli sono meno probabili date le informazioni raccolte.

#Conclusione

Questa ricerca fa luce sulla ricerca delle particelle a lunga vita attraverso l'uso di rivelatori di particelle avanzati e tecniche di analisi dei dati. I risultati aiutano a perfezionare la nostra comprensione delle potenziali teorie nella fisica delle particelle e pongono nuovi limiti alle loro proprietà.

Con il proseguire delle indagini, nuovi metodi e dataset possono ulteriormente migliorare la ricerca di LLPs, offrendo più possibilità per scoperte rivoluzionarie nel campo della fisica delle particelle. Comprendere queste particelle elusive potrebbe alla fine portare a significativi approfondimenti sulla struttura fondamentale dell'universo.