ATLAS 事件顯示帶有一對“位移射流”的數據事件，這些射流很窄，基本上沒有軌道，并且大部分能量都在熱量計的強子部分。信用：歐洲核子研究組織
ATLAS 實驗的物理學家正在尋找新的長壽命粒子，以幫助解釋我們宇宙的幾個未解之謎。
ATLAS 實驗的物理學家正在尋找新的長壽命粒子，以幫助解釋我們宇宙的幾個未解之謎。高能碰撞使研究人員能夠研究衰減非常快的重粒子，例如希格斯玻色子。但與重標準模型粒子(在大型強子對撞機 (LHC) 碰撞點的幾毫米內衰減)不同，新的長壽命粒子 (LLP) 在衰減之前可以通過 ATLAS 探測器傳播相當大的距離。
研究任何粒子的衰變都是一項復雜的任務，但假設它在 LHC 碰撞點附近衰變通常會容易得多。這使 LLP 處于盲點，因為它們可能在檢測器的任何地方衰減。此外，由于 ATLAS 實驗的各層使用不同的儀器，LLP 的證據看起來會有所不同，具體取決于粒子衰變所在的層。
為了確保不遺余力，ATLAS 物理學家設計了一系列新策略來尋找具有各種可能特征的 LLP。在最近的輕子光子和拉圖勒會議上展示了這項工作的四個新結果。
中微子是標準模型中最神秘的粒子之一。長期以來，物理學家一直對為什么只觀察到中微子是“左旋”(即它們的自旋和動量相反)而感到困惑，而所有其他已知粒子也可以在“右旋”狀態下觀察到。
圖 1：一個模擬事件的顯示，其中一個中性長壽命粒子在探測器的中心(左紅點)產生并在穿過一段距離后衰減(右紅點)。這個簽名被稱為“置換頂點”。學分：ATLAS 合作/CERN
一種可能性是右旋中微子存在但非常重，因此更難在自然界中產生。這些新粒子——稱為“重中性輕子”(HNLs)——將同時為標準模型中微子提供右手伙伴，并解釋為什么中微子如此輕。如果 HNL 和標準模型中微子之間的相互作用強度很小，HNL 將顯示出長壽的實驗特征。
在對這些重中微子的新搜索中，ATLAS 物理學家在 ATLAS 帶電粒子跟蹤探測器中尋找源自一個常見位移頂點(見圖 1)的輕子，其中 HNL 可能已經衰變為電子、μ子和缺失能量的混合物. 使用衰變產物，他們重建了可能的 HNL 質量，這對于信號事件與背景事件不同，如圖 2 所示。結果，物理學家能夠將 HNL 質量限制在 3 到 ~15 GeV 之間，并且首次能夠報告 HNL 衰變為電子 - 介子對!
圖 2：觀測數據的重建 HNL 質量分布(黑點)、具有不確定性的預測背景(淡紫色/藍色)以及三種不同質量假設的模擬信號(彩色線)。學分：ATLAS 合作/CERN
在尋找新粒子時，物理學家必須尋找它們的衰變產物——或者是嗎?最近的 ATLAS 分析采用了不同的方法。如果存在新的重電荷 LLP，它將在 ATLAS 跟蹤探測器中留下能量沉積物。如果粒子很重，這些能量沉積物將異常大，可用于推斷產生它們的粒子的質量。這是一個例外情況，物理學家實際上可以直接檢測到一個新粒子，而不僅僅是通過它的衰變。
圖 3：標準模型期望(藍線)和觀測數據(黑點)的重建質譜。通過搜索測試的不同可能信號以虛線顏色顯示。在質量超過 1000 GeV 時觀察到少量過量事件，但是在研究時間測量時，這與慢速帶電粒子假設不兼容。學分：ATLAS 合作/CERN
但是，在此搜索中預測標準模型背景過程非常具有挑戰性。ATLAS 物理學家采用了一種復雜的“數據驅動”方法來解決這個問題，使用具有規則能量沉積的軌道來預測可以模擬信號的背景過程。
觀察到的數據與預期的標準模型背景一致，除了在高能和高質量區域中存在幾個形成過量的事件，如圖 3 所示。雖然有趣，但外層的飛行時間測量值探測器子系統表明，沒有一個候選軌道與重型和緩慢移動的帶電粒子假設相匹配。
當粒子衰變為夸克時，它們會經歷一個稱為強子化的過程，這會導致在 ATLAS 探測器中噴射出準直粒子，稱為射流。如果一個新的中性 LLP 在量熱計的外層衰變為夸克，它會留下“置換”的噴流。這些將在實驗中留下一個非常不尋常的特征：射流在跟蹤探測器中沒有相關的粒子軌跡;與它們的標準模型對應物相比會非常窄，因為粒子的噴霧沒有時間在空間上分離;并且會將它們總能量的很大一部分留在熱量計的強子部分。在上面的事件顯示中可以看到這些不尋常的噴氣機之一的例子。
在一項新的分析中，ATLAS 研究人員利用置換噴流的不常見特性來尋找在量熱計中衰減的中性 LLP 對。他們為分析開發的深度神經網絡特別新穎：它能夠將位移的射流與 LHC 光束與加速器本身的材料的背景相互作用以及來自標準模型夸克衰變的射流區分開來。此外，研究人員使用對抗性訓練方案來確保算法不會利用數據和模擬之間的已知差異。結果被用來估計搜索的背景，到目前為止還沒有發現明顯的過量事件。
但是如果中性 LLP 衰變為輕子而不是夸克呢?暗光子是推測以這種方式表現的一類 LLP。如果這種衰變發生在 ATLAS 量熱計或 μ 子系統中，它們將導致被稱為輕子噴流的準直輕子群。
研究人員還在另一項新分析中搜索了輕子噴流，使用最先進的機器學習技術將 LLP 候選輕子噴流與背景過程(例如宇宙射線和 LHC 束-氣體相互作用)區分開來。ATLAS 物理學家第一次使用機器學習技術搜索新粒子，該技術利用探測器每一層的原始能量沉積模式。雖然沒有看到過多的事件，但他們對暗光子的存在設定了嚴格的新限制，并且首次能夠探測暗光子衰變為電子!
這些新分析的核心是一個關鍵問題：如果新粒子隱藏在標準搜索中怎么辦?ATLAS 研究人員已經開發出新穎的、創造性的方法來探索可能的 LLP 衰變的豐富多樣性。他們廣泛的專門搜索使用新技術來處理不尋常的背景。搜索仍在繼續，大型強子對撞機的第 3 次運行承諾提供新數據和新創新，以推進這一令人興奮的研究計劃。
