Donkere materie is een onbekende soort materie die in het universum aanwezig is en die van deeltjes kan zijn. Een van de meest complete theoretische kaders die een kandidaat voor donkere materie omvat, is supersymmetrie. Veel supersymmetrische modellen voorspellen het bestaan ​​van een nieuwe stal, onzichtbaar deeltje genaamd het lichtste supersymmetrische deeltje (LSP), dat de juiste eigenschappen heeft om een ​​donkeremateriedeeltje te zijn.

De ATLAS-samenwerking bij CERN heeft onlangs twee nieuwe resultaten gerapporteerd over zoekopdrachten naar een LSP die gebruikmaakten van het volledige Run 2-gegevensmonster van het experiment, genomen bij 13 TeV proton-protonbotsingsenergie. De analyses zochten naar de paarproductie van twee zware supersymmetrische deeltjes, die elk vervallen tot waarneembare standaardmodeldeeltjes en een LSP in de detector.

Ontbrekende energie identificeren

Een centrale uitdaging van deze zoektochten is dat kandidaatdeeltjes van donkere materie uit de ATLAS-detector zouden ontsnappen zonder een zichtbaar signaal achter te laten. Hun aanwezigheid kan alleen worden afgeleid uit de grootte van het ontbrekende transversale momentum van de botsing (E _t ^missen ) – een onbalans in het moment van gedetecteerde deeltjes in het vlak loodrecht op de botsende protonen. In de dichte omgeving van talrijke overlappende botsingen gegenereerd door de Large Hadron Collider (LHC), het kan moeilijk zijn om echte E . te scheiden _t ^missen van nep E _t ^missen afkomstig van een verkeerde meting van het zichtbare botsingsafval in de detector.

Om deze moeilijkheid op te lossen, ATLAS heeft een nieuwe E . ontwikkeld _t ^missen significantievariabele die de waarschijnlijkheid kwantificeert dat de waargenomen E _t ^missen afkomstig is van niet-detecteerbare deeltjes in plaats van van verkeerd gemeten objecten. In tegenstelling tot eerdere berekeningen die volledig gebaseerd waren op de gereconstrueerde gebeurteniskinematica, de nieuwe variabele houdt ook rekening met de resolutie en de kans op verkeerde identificatie van elk van de gereconstrueerde deeltjes die in de berekening worden gebruikt. Dit helpt om effectiever onderscheid te maken tussen evenementen met echte en nep-E _t ^missen , respectievelijk, zoals weergegeven in figuur 1, waardoor het vermogen van ATLAS om donkere materiedeeltjes te identificeren en gedeeltelijk te reconstrueren, wordt verbeterd.

Nieuwe reconstructietechnieken toepassen

Beide nieuwe ATLAS-zoekopdrachten implementeren deze nieuwe reconstructietechniek voor de volledige Run 2-dataset. Eén zoekopdracht zoekt naar de paarproductie van charginos (de geladen superpartners van bosonen) en sleptonen (superpartners van leptonen), respectievelijk, die vervallen tot twee elektronen of muonen en aanleiding geven tot grote E _t ^missen vanwege de ontsnappende LSP's. Deze signalen zijn zeer uitdagend om te extraheren omdat ze lijken op standaardmodel dibosonprocessen, waar sommige (hoewel minder) E _t ^missen wordt geproduceerd uit onzichtbare neutrino's. Evenementen werden geselecteerd met een hoge E _t ^missen significantie samen met verschillende andere variabelen die het signaal van de achtergrond helpen onderscheiden. Bij afwezigheid van een significante overmaat in de gegevens ten opzichte van de achtergrondverwachting, sterke limieten werden gesteld aan de overwogen supersymmetrische scenario's, zoals weergegeven in figuur 2.

De tweede nieuwe zoekopdracht is gericht op de paarproductie van supersymmetrische bottom-quarks (superpartners van bottom-quarks), die beide vervallen tot een eindtoestand met een Higgs-deeltje en een LSP (plus een extra b-quark). Dan - gericht op Higgs-deeltje vervalt tot twee b-quarks, zoals voorspeld wordt in 58 procent van de gevallen - de uiteindelijke toestand gemeten in de ATLAS-detector zou een unieke signatuur hebben:grote E _t ^missen geassocieerd met maximaal zes jets van hadronische deeltjes, afkomstig van b-quarks. Opnieuw, geen significante overmaat aan gegevens werd gevonden in deze zoekopdracht.

Beide resultaten leggen sterke beperkingen op belangrijke supersymmetrische scenario's, die toekomstige ATLAS-zoekopdrachten zullen leiden. Verder, ze geven een voorbeeld van hoe nieuwe reconstructietechnieken kunnen helpen de gevoeligheid van nieuwe natuurkundige zoekopdrachten bij de LHC te verbeteren.