Czy ciemna materia ukrywa się na widoku?

Co by się stało, gdyby cząstki ciemnej materii zostały wyprodukowane wewnątrz strumienia cząstek Modelu Standardowego? Prowadzi to do nowej sygnatury detektora, znanej jako dżety niewidoczne! Współpraca ATLAS opracowała pierwsze quasi-widoczne poszukiwania dżetów, szukając ich w ogólnym trybie produkcyjnym, w którym dwa protony oddziałują poprzez pośrednią wymianę cząstek, która jest następnie przekształcana w dżety.

Nieuchwytna natura ciemnej materii pozostaje jedną z największych tajemnic fizyki cząstek elementarnych. Większość wyszukiwań do tej pory dotyczyła zdarzeń, w których wytwarzana jest „słabo oddziałująca” cząstka ciemnej materii wraz ze znanym modelem standardowym. Ponieważ cząstka ciemnej materii nie może być dostrzeżona przez detektor ATLAS, naukowcy szukają braku równowagi w pędzie poprzecznym (lub „brakującej energii”).

Współpraca ATLAS przeprowadziła pierwsze poszukiwania dżetów, które byłyby bliskie widzialności, możliwej sygnatury obecności cząstek ciemnej materii. Ma to nastąpić, gdy dwa protony oddziałują, tworząc cząstkę pośrednią, która następnie przekształca się w dwa dżety. Źródło: Współpraca ATLAS/CERN

Jednak niektóre modele teoretyczne przewidują „silnie oddziałujący” ciemny sektor, z ciemnymi kwarkami i gluonami jako standardowymi replikami modeli kwarków i gluonów. Prawie widoczne dżety powstaną, gdy ciemne kwarki rozpadają się częściowo na kwarki modelu standardowego, a częściowo na stabilne ciemne hadrony („niewidzialna frakcja”). Ponieważ są one produkowane parami, zwykle wraz z dodatkowymi dyszami standardowego modelu, utrata energii jest widoczna, gdy wszystkie dysze nie są idealnie wyważone. Kierunek brakującej energii jest często zgodny z jednym z niewidocznych dżetów, co widać na powyższym widoku zdarzenia.

Ryc. 1: Dane, tło i sześć przewidywanych rozkładów sygnału obejmujących reprezentatywną masę pośrednią i niewidoczne pasmo pęknięć nałożone na azymutalną różnicę kątową między dwoma kandydatami na półwidoczne dżety. Zaobserwowano doskonałą zgodność między danymi a tłem. Źródło: Współpraca ATLAS/CERN

To sprawia, że ​​​​wyszukiwanie prawie widocznych dżetów jest bardzo trudne, ponieważ ta sygnatura zdarzenia może również powstać z powodu źle zmierzonych dżetów w detektorze. dla nich Nowe wyszukiwanieFizycy musieli upewnić się, że wszystkie te efekty zostały uwzględnione. Aby to zrobić, skupili się na kilku obserwacjach: osobliwości wyrównania, wielkości pędu poprzecznego i kącie między częściowo widocznymi dżetami. Zbadali również różne scenariusze niewidocznych pęknięć i pośrednich mas cząstek.

Po uwzględnieniu wszystkich procesów Modelu Standardowego, które przyczyniły się do topologii tego zdarzenia, naukowcy nie znaleźli żadnych śladów widocznych quasi-płaszczyzn. Jak widać na ryc. 1, która pokazuje różnicę kątową między dwoma półwidocznymi filtrami strumieniowymi, dane są zgodne z kształtem standardowego tła modelu. Oczekiwano, że sygnały z ciemnej materii będą miały nieco inny kształt.

Wyszukiwanie niewidzialnych dżetów jest bardzo trudne, ponieważ sygnatura zdarzenia może również powstać z powodu źle zmierzonych dżetów w detektorze. W jaki sposób badacze ATLAS sprostali temu wyzwaniu?

Ten nowy wynik określa pierwsze granice dla konkretnego półwizualnego scenariusza produkcji odrzutowców, pokazanego na ryc. 2 jako funkcje zarówno masy ośrodka, jak i niewidocznej frakcji. Wyszukiwanie jest najbardziej czułe przy pośrednich wartościach niewidzialnej frakcji i wyklucza pośrednie masy do 2,7 TeV. Naukowcy byli również w stanie zgłosić liczbę zaobserwowanych zdarzeń danych, które spełniły wymagania dotyczące wyboru zdarzeń. Stanowi to ważny fundament dla przyszłych poszukiwań ciemnej materii, umożliwiając fizykom budowanie modeli dżetów o zasięgu prawie widzialnym, które uwzględniają ograniczenia tej sygnatury.

Rysunek 2: Oczekiwane i obserwowane profile wykluczania sygnału półwidocznego dżetu w funkcji masy ośrodka na osi x i niewidocznej części na osi y. Środkowe bloki po lewej stronie czerwonej linii ciągłej są wykluczone ze zidentyfikowanego niewidocznego pęknięcia. Źródło: Współpraca ATLAS/CERN

Jest jeszcze wiele do odkrycia! Badacze ATLAS planują systematycznie badać wszystkie możliwe sygnatury z krajobrazu silnego ciemnego sektora, które mogą obejmować odsłonięte sygnatury, takie jak te rozważane w tym badaniu. Wraz z rozwojem ogromnego zbioru danych Atlas zapewni nowe możliwości eksploracji i nowe opcje rozszerzenia wyszukiwania płaszczyzn podobrazowych.