Affichage de l’événement ATLAS pour un événement de données avec une paire de “jets déplacés”, qui sont étroits, en grande partie sans trace et ont la plupart de leur énergie dans la partie hadronique du calorimètre. Crédit : CERN
Les physiciens de l’expérience ATLAS sont à la recherche de nouvelles particules à longue durée de vie pour aider à expliquer plusieurs mystères de notre Univers.
Les physiciens de l’expérience ATLAS sont à la recherche de nouvelles particules à longue durée de vie pour aider à expliquer plusieurs mystères de notre Univers. Les collisions à haute énergie permettent aux chercheurs d’étudier les particules lourdes qui se désintègrent très rapidement, comme le boson de Higgs. Mais contrairement aux particules lourdes du modèle standard, qui se désintègrent dans un rayon de quelques millimètres autour du point de collision du Grand collisionneur de hadrons (LHC), les nouvelles particules à longue durée de vie (LLP) pourraient parcourir des distances considérables dans le détecteur ATLAS avant de se désintégrer.
L’étude de la désintégration d’une particule est une tâche complexe, mais elle est généralement facilitée en supposant qu’elle s’est désintégrée près du point de collision du LHC. Cela laisse les LLP dans un angle mort, car ils peuvent se désintégrer n’importe où dans le détecteur. De plus, les couches de l’expérience ATLAS étant instrumentées différemment, la preuve de la présence de LLP serait différente selon la couche dans laquelle la particule se désintègre.
Pour s’assurer que rien n’est laissé au hasard, les physiciens d’ATLAS ont conçu une série de nouvelles stratégies pour rechercher des LLP avec diverses caractéristiques possibles. Quatre nouveaux résultats issus de cet effort ont été présentés lors des récentes conférences Lepton-Photon et La Thuile.
La chasse aux neutrinos droitiers
Les neutrinos font partie des particules les plus mystérieuses du modèle standard. Les physiciens se demandent depuis longtemps pourquoi les neutrinos ne sont jamais observés qu’à l’état “gauche” (c’est-à-dire que leur spin et leur momentum sont opposés), alors que toutes les autres particules connues peuvent également être observées à l’état “droit”.
Figure 1 : Représentation d’un événement simulé où une particule neutre à longue durée de vie est produite au centre du détecteur (point rouge gauche) et se désintègre après avoir parcouru une certaine distance (point rouge droit). Cette signature est connue sous le nom de “sommet déplacé”. Crédit : Collaboration ATLAS/CERN
Une possibilité est que les neutrinos droitiers existent mais qu’ils soient très lourds, et donc plus difficiles à produire dans la nature. Ces nouvelles particules – appelées “leptons neutres lourds” (HNL) – fourniraient simultanément des partenaires droitiers aux neutrinos du modèle standard et expliqueraient pourquoi les neutrinos sont si légers. Si la force d’interaction entre les HNL et les neutrinos du modèle standard est faible, les HNL présenteraient des signatures expérimentales à longue durée de vie.
Dans un nouvelle recherche pour ces neutrinos lourds, les physiciens d’ATLAS ont recherché des leptons provenant d’un sommet déplacé commun (voir figure 1) dans le détecteur de suivi des particules chargées d’ATLAS, où un HNL aurait pu se désintégrer en un mélange d’électrons, de muons et d’énergie manquante. En utilisant les produits de désintégration, ils ont reconstruit la masse possible du HNL qui serait différente pour les événements de signal et les événements de fond, comme le montre la figure 2. En conséquence, les physiciens ont pu fixer des limites aux masses HNL entre 3 et ~15 GeV, et ont pu rendre compte des désintégrations HNL en paires électron-muon pour la toute première fois !
Figure 2 : La distribution de masse HNL reconstruite pour les données observées (points noirs), le bruit de fond prédit avec son incertitude (lilas/bleu), et le signal simulé pour trois hypothèses de masse différentes (lignes colorées). Crédit : ATLAS Collaboration/CERN
La collaboration ATLAS a mis au point une série de nouvelles stratégies pour rechercher les particules à longue durée de vie qui se désintègrent loin du point de collision central du LHC.
Suivre les pas des LLP chargés
Lorsqu’ils recherchent de nouvelles particules, les physiciens doivent chercher leurs produits de désintégration – ou le font-ils ? Une analyse récente d’ATLAS adopte une approche différente. Si une nouvelle LLP chargée et lourde existe, elle laisserait des dépôts d’énergie dans le détecteur de poursuite ATLAS. Si la particule est lourde, ces dépôts d’énergie seraient anormalement grands et pourraient être utilisés pour déduire la masse de la particule qui les a produits. Il s’agit d’un cas exceptionnel où les physiciens pourraient effectivement détecter une nouvelle particule directement, et pas seulement via sa désintégration.
Figure 3 : Le spectre de masse reconstruit pour l’espérance du modèle standard (ligne bleue) et les données observées (points noirs). Les différents signaux possibles qui sont testés par la recherche sont représentés par des couleurs en pointillés. Un petit excès d’événements est observéau-dessus de 1000 GeV en masse, ce qui n’est toutefois pas compatible avec l’hypothèse d’une particule chargée lente lorsqu’on examine les mesures temporelles. Crédit : Collaboration ATLAS/CERN
Cependant, la prédiction des processus de fond du modèle standard dans cette recherche est très difficile. Les physiciens d’ATLAS ont employé une méthode sophistiquée ” axée sur les données ” pour s’attaquer au problème, en utilisant des pistes avec des dépôts d’énergie réguliers pour prédire les processus de fond qui pourraient imiter un signal.
Les données observées correspondent au bruit de fond attendu du modèle standard, à l’exception de la présence de plusieurs événements formant un excès dans une région de haute énergie et de haute masse, comme le montre la figure 3. Bien qu’intrigantes, les mesures du temps de vol dans les sous-systèmes des détecteurs extérieurs indiquent qu’aucune des pistes candidates ne correspond à l’hypothèse d’une particule chargée lourde et lente.
Exploiter la puissance de l’apprentissage automatique
Lorsque les particules se désintègrent en quarks, elles subissent un processus appelé ” désintégration “. hadronisationqui conduit à des jets de particules collimatées dans le détecteur ATLAS, appelés jets. Si un nouveau LLP neutre devait se désintégrer en quarks dans la couche externe du calorimètre, il laisserait derrière lui des jets “déplacés”. Ceux-ci laisseraient une signature très inhabituelle dans l’expérience : les jets n’auraient pas de trajectoires de particules associées dans le détecteur de poursuite ; ils seraient très étroits par rapport à leurs équivalents du Modèle standard, puisque la gerbe de particules n’aurait pas le temps de se séparer spatialement ; et ils laisseraient une fraction élevée de leur énergie totale dans la partie hadronique du calorimètre. Un exemple de l’un de ces jets inhabituels peut être vu dans l’affichage de l’événement ci-dessus.
Dans un nouvelle analyseles chercheurs d’ATLAS ont exploité les caractéristiques peu communes des jets déplacés pour rechercher des paires de LLP neutres se désintégrant dans le calorimètre. Le réseau neuronal profond qu’ils ont développé pour cette analyse est particulièrement novateur : il est capable de distinguer les jets déplacés des interactions de fond du faisceau du LHC avec la matière de l’accélérateur lui-même, ainsi que des jets provenant de la désintégration des quarks du modèle standard. En outre, les chercheurs ont utilisé un système d’apprentissage contradictoire pour s’assurer que l’algorithme n’exploite pas les différences connues entre les données et la simulation. Le résultat a été utilisé pour estimer le bruit de fond de la recherche, et aucun excès significatif d’événements n’a été repéré jusqu’à présent.
Mais que se passe-t-il si le LLP neutre se désintègre en leptons au lieu de quarks ? Les photons sombres sont une classe de LLP dont on suppose qu’ils se comportent de cette façon. Si de telles désintégrations se produisaient dans le calorimètre ATLAS ou dans le système muonique, elles aboutiraient à des groupes collimatés de leptons appelés jets de leptons.
Les chercheurs ont également recherché des jets de leptons dans une autre source de rayonnement. nouvelle analyseLes chercheurs ont également recherché des jets de leptons dans une autre nouvelle analyseen utilisant des techniques d’apprentissage automatique de pointe pour distinguer les jets de leptons candidats à la LLP des processus de fond, tels que les rayons cosmiques et les interactions faisceau-gaz du LHC. Pour la première fois, les physiciens d’ATLAS ont recherché de nouvelles particules à l’aide de techniques d’apprentissage automatique exploitant les modèles de dépôts d’énergie brute dans chaque couche du détecteur. Bien qu’aucun excès d’événements n’ait été observé, ils ont fixé de nouvelles limites strictes sur l’existence de photons sombres et ont pu sonder les désintégrations de photons sombres en électrons pour la toute première fois !
Into Run 3
Au cœur de ces nouvelles analyses se trouve une question clé : que se passe-t-il si de nouvelles particules se cachent des recherches standard ? Les chercheurs d’ATLAS ont développé des moyens nouveaux et créatifs pour explorer la riche diversité des désintégrations possibles du LLP. Leur large éventail de recherches dédiées utilise de nouvelles techniques pour s’attaquer à des arrière-plans inhabituels. La recherche se poursuit, le troisième cycle du LHC promettant de nouvelles données et de nouvelles innovations pour faire avancer ce programme de recherche passionnant.
