Terwijl de Large Hadron Collider (LHC) protonen verplettert met een massamiddelpuntsenergie van 13 TeV, het creëert een rijk assortiment aan deeltjes die worden geïdentificeerd door de handtekening van hun interacties met de ATLAS-detector. Maar wat als de versneller deeltjes produceert die door ATLAS reizen zonder interactie? Deze "onzichtbare deeltjes" kunnen de antwoorden bieden op enkele van de grootste mysteries in de natuurkunde.

Een voorbeeld is donkere materie, die 85 procent van de massa in het heelal lijkt te vormen, maar is nog niet definitief geïdentificeerd. Wetenschappers leiden het bestaan ​​ervan af door middel van astrofysische waarnemingen, inclusief de vorming van sterrenstelsels en zwaartekrachtlensvorming. Echter, ze weten meer over wat het niet is dan wat het is. Er is niet één theorie over donkere materie; verschillende voorspellingen hebben verschillende implicaties voor de eigenschappen en hoe deze op elkaar inwerken.

De onzichtbare deeltjes die bij LHC-botsingen worden geproduceerd, voeren energie weg, resulterend in een schijnbare onbalans in de energie/momenta van de waargenomen zichtbare deeltjes. Theorieën voorspellen dat als de onzichtbare deeltjes bestaan, meer gebeurtenissen met grote onbalans en andere onderscheidende patronen van zichtbare deeltjes konden worden gedetecteerd door het ATLAS-experiment. Het vergelijken van het aantal van dergelijke gebeurtenissen dat door de theorie wordt voorspeld met het aantal gebeurtenissen dat in de detector wordt waargenomen, is een manier om indirect naar onzichtbare deeltjes te zoeken.

Hoewel het een succesvolle aanpak blijkt te zijn, er zijn beperkingen. Wat als de theoretische modellen van donkere materie niet kloppen? Wat als een heel ander fenomeen de oorzaak is van onzichtbare deeltjes? Momenteel, wanneer theoretische modellen onjuist blijken te zijn, het kan moeilijk en tijdrovend zijn om de gegevens opnieuw te gebruiken om nieuwe modellen te testen. Hiervoor is inzicht nodig in hoe deze deeltjes werden geregistreerd in de detectoren, hoe de evenementen werden geselecteerd, en hoe de standaardmodelprocessen die deze deeltjespatronen nabootsen werden gemodelleerd.

Natuurkundigen van ATLAS hebben een nieuwe, op metingen gebaseerde benadering ontwikkeld, die is ontworpen om detector-onafhankelijk te zijn en een gemakkelijke herinterpretatie van de gegevens in de toekomst mogelijk maakt. Bij deze benadering een hoeveelheid R ^missen is gedefinieerd, die gevoelig is voor de productiesnelheid en eigenschappen van eventuele onzichtbare deeltje(s). Deze hoeveelheid wordt gemeten ten opzichte van verschillende eigenschappen van de botsingsgebeurtenissen, inclusief de hoeveelheid momentumonbalans en de energie/momenta van de zichtbare deeltjes. De waarde van deze grootheid samen met veranderingen in deze gemeten eigenschappen blijkt gevoeligheid te geven voor onzichtbare deeltjes. Bekend verval van Z-bosonen geproduceerd in LHC-botsingen in onzichtbare neutrino's betekent dat deze hoeveelheid niet nul is, zelfs bij afwezigheid van een nieuw onzichtbaar fenomeen. Deze hoeveelheid is zorgvuldig gecorrigeerd voor detectorinefficiënties, een meting vrij laten van experimentele vooroordelen en onafhankelijk van een nieuwe natuurkundige hypothese (Figuur 1). Elke natuurkundige kan dan eenvoudig de voorspellingen van zijn model vergelijken met deze meting.

Om de nieuwe aanpak te demonstreren, de meting wordt gebruikt om drie duidelijk verschillende theoretische modellen van donkere materie te testen, waar het wordt geproduceerd ofwel (1) via de sterke kracht, (2) door het verval van Higgs-bosonen, of (3) via de elektrozwakke kracht. Er zijn geen aanwijzingen voor donkere materie en daarom kan ATLAS strenge beperkingen opleggen aan deze theorieën (Figuur 2). De beperkingen zijn concurrerend met bestaande benaderingen die gericht zijn op het testen van deze specifieke theorieën en complementair aan metingen van ruimtegebaseerde indirecte detectie-experimenten.