De High-Luminosity-upgrade van de Large Hadron Collider (HL-LHC) zal naar verwachting in 2026 beginnen met het botsen van protonen. Deze belangrijke verbetering van CERN's vlaggenschipversneller zal het totale aantal botsingen in het ATLAS-experiment met een factor 10 doen toenemen. met deze stijging ATLAS bereidt een complexe reeks upgrades voor, waaronder de installatie van nieuwe detectoren met behulp van geavanceerde technologie, de vervanging van verouderde elektronica, en de upgrade van het trigger- en data-acquisitiesysteem.

Welke ontdekkingsmogelijkheden zullen ATLAS binnen handbereik hebben met de HL-LHC-upgrade? Hoe nauwkeurig zullen natuurkundigen de eigenschappen van het Higgs-deeltje kunnen meten? Hoe diep zullen ze in staat zijn om standaardmodelprocessen te onderzoeken op tekenen van nieuwe fysica? De ATLAS-samenwerking heeft tientallen onderzoeken uitgevoerd en vrijgegeven om deze vragen te beantwoorden, waarvan de resultaten waardevolle input zijn geweest voor discussies deze week gehouden op het symposium over de Europese strategie voor deeltjesfysica, in Granada, Spanje.

"Het bestuderen van het ontdekkingspotentieel van de HL-LHC was een fascinerende taak die verband hield met de ATLAS-upgrades, " zegt Simone Pagan Griso, Mede-organisator van de ATLAS Upgrade Physics Group. "De resultaten zijn niet alleen informatief voor de ATLAS-samenwerking, maar voor de hele wereldwijde gemeenschap van deeltjesfysica, terwijl ze de kansen en uitdagingen die voor ons liggen opnieuw beoordelen." Inderdaad, deze studies vormen belangrijke maatstaven voor toekomstige generaties van deeltjesfysica-experimenten.

Pagan Griso werkte samen met Leandro Nisati, de ATLAS-vertegenwoordiger in de stuurgroep HL-LHC Physics Potential "Yellow Report", en mede-organisator van de ATLAS Upgrade Physics Group, Sara Demers, deze onderzoeken te coördineren voor de samenwerking. "Een geel CERN-rapport, met publicatie in zijn definitieve vorm aanstaande, zal de resultaten van ATLAS combineren met die van andere LHC-experimenten, evenals input van theoretische fysici, ' zegt Nisati.

Het inschatten van de prestaties van een nog niet gebouwde machine, die zal opereren onder omstandigheden die nog nooit zijn geconfronteerd, was een complexe taak voor het ATLAS-team. "We hebben twee parallelle benaderingen gevolgd, " legt Demers uit. "Voor één reeks analyseprojecties, we begonnen met simulaties van de uitdagende HL-LHC experimentele omstandigheden. Deze gesimuleerde natuurkundige gebeurtenissen werden vervolgens door aangepaste software geleid om ons te laten zien hoe de deeltjes zouden interageren met een verbeterde ATLAS-detector. Vervolgens hebben we nieuwe algoritmen ontwikkeld om te proberen de natuurkundige signalen uit de uitdagende hoeveelheid achtergrondgebeurtenissen te halen." Omgaan met overvloedige achtergrond zal een veel voorkomende complicatie zijn voor HL-LHC-operaties.

Door deze aanpak te volgen, het team ontdekte dat de HL-LHC-dataset ATLAS in staat zal stellen te jagen op nieuwe massieve Z-bosonen (aangeduid met Z') zo zwaar als 6,5 TeV, en zoek naar nieuwe W'-bosonen tot 7,9 TeV massa. "Deze methode was nuttig omdat het ons leerde over het potentiële natuurkundige bereik van de verbeterde ATLAS-detector, maar het had ook zijn beperkingen, " zegt Demers. "Onze ervaring heeft uitgewezen dat, naarmate we meer vertrouwd raken met de werking van de detector en het gaspedaal, we zijn in staat om onze technieken voor het verzamelen van gegevens te verbeteren en hebben nieuwe ideeën voor natuurkundige analyses. Het is moeilijk te kwantificeren hoeveel verbetering een decennium van denken en hard werken zal brengen!"

De tweede benadering die in de HL-LHC-fysica-projecties werd gebruikt, maakte gebruik van de beste huidige natuurkundige resultaten van ATLAS. Het team heeft overwogen welke onderdelen van de analyses naar verwachting zouden verbeteren, degraderen of hetzelfde blijven onder de nieuwe HL-LHC-omstandigheden. Het rijke panorama van de fysica van het Higgs-boson was van groot belang, aangezien de studie ervan een van de belangrijkste doelen is van de HL-LHC-upgrade. De grote dataset die van de HL-LHC wordt verwacht, zal essentieel zijn voor het blootleggen van veel van de onbekenden van het Higgs-deeltje.

"Gebruikmakend van de huidige natuurkundige resultaten van ATLAS, we projecteerden onzekerheden van minder dan 5% bij metingen van de snelheden van vijf soorten verval van het Higgs-boson:naar b-quarks, naar tau, naar W bosonen, tot Z-bosonen en tot fotonen, " zegt Pagan Griso. "Volgens deze projecties, we zullen ook zeer gevoelig zijn voor zeldzaam verval van het Higgs-deeltje, zoals het verval tot muonen."

Deze tweede methode profiteerde van de volledige verfijning en optimalisatie van de huidige analyses van ATLAS. Echter, in tegenstelling tot de eerste benadering, het kon niet direct rekening houden met de verbeteringen die de verbeterde ATLAS-detector zal brengen. Evenmin kan het volledig inschatten hoeveel moeilijker natuurkundige analyse zal worden onder de extreme omstandigheden van de HL-LHC. Als zodanig, een combinatie van de twee benaderingen geeft de best mogelijke voorspelling van het natuurkundig potentieel van ATLAS bij de HL-LHC.

In de loop van deze studie, ATLAS heeft meer dan 40 openbare notities gepubliceerd waarin de resultaten van meer dan 80 analysekanalen worden gedocumenteerd. Deze resultaten zijn allemaal openbaar beschikbaar en zullen prioriteringsstrategieën voor natuurkundigen over de hele wereld informeren. "Deze studies vertegenwoordigen ons beste begrip van het enorme natuurkundige potentieel dat op ATLAS wacht, " besluit Demers. "Het is opwindend om zulke kansen voor ons te hebben, terwijl we blijven leren van de huidige LHC-dataset en werken aan het maximaliseren van de informatie over ons universum die ATLAS kan bieden."